Brevet FR2604837A1 — publié le 19880408

La présente.invention concerne un générateur à tran- sistors pour la production de courants de haute fréquence. Ce type de générateur peut être utilisé avec de légères variantes dans le circuit de sortie des générateurs de chauffage par in- duction, des équipements de laser, des équipements de plasma et similaires. Dans l'état actuel de la technique, on connaît deux types différents de générateurs destinés à la production de courants à haute fréquence: a) jusqu'à une fréquence de l'ordre de 50 KHz, utili- sation de thyristors en syntonisant la charge sur une fréquence multiple de la fréquence de fonctionnement de l'inverseur à thyristors. b) de 100 KHz jusqu'à plusieurs MHz, utilisation de générateurs équipés de valves électroniques pour haute fréquen- ce. Les principaux inconvénients que présentent ces sys- tèmes sont les suivants: a) dans les générateurs àthyristors, la fréquence est limitée à 50 KHz seulement, et ces générateurs utilisent géné- ralement un inverseur statique qui fonctionne à 10 KHz. L'ac- couplement de la charge à une fréquence multiple de la fréquen- ce fondamentale est une opération délicate et coûteuse. Cet ac- couplement à une fréquence multiple fait que le rendement des. équipements est relativement réduit. b) Dans les générateurs à valves électroniques, pour lesquels il n'existe pratiquement aucune limitation de fréquen- ce, l'inconvénient principal consiste en l'utilisation de val- ves électroniques à vide. Ces valves ont une durée utile de 5 000 à 6 000 heures, après quoi elles doivent être remplacées, ce qui est coûteux. D'autre part, l'alimentation de ces valves électroniques doit être réalisée à haute tension en utilisant à cet effet un transformateur élevateur et un pont-redresseur à diodes, ce qui donne lieu à des problèmes d'encombrement et de sécurité. Le rendement énergétique de ces équipements est 1 compris entre 50-55 % dans le cas des générateurs classiques, et 70 % dans le cas des générateurs apériodiques. Le générateur à transistors selon l'invention appor- te une solution à tous ces inconvénients et présente les avan- tages suivants: a.- il peut fonctionner à n'importe quelle fréquen- ce, depuis celle du réseau jusqu'à plusieurs centaines ce KHz. b.- le rendement énergétique est très élevé et dépend de l'application, mais en tout cas il est supérieur à 90 %. z.- il ne comporte pas de source d'énergie à haute tension. e.- il permet la compensation automatique des varia- tions de fréquence produites dans la charge, par le changement de cette dernière et par les modifications de ses caractéristi- ques électriques, par exemple au coursd'une opération de chauffage. e.- son volume est beaucoup plus réduit. Il comporte les ensembles et systèmes suivants (voir également la figure 1): 1.- pont redresseur à diodes 2.- interrupteur périodique (chopper) 3.démarreur 4.- bobines de filtrage 5.- inverseur à transistors 6.- système de poursuite automatique de fréquence 7.- système de régulation et protection 8 et 9.- circuits de déclenchement 10.- système d'alimentation, de supervision et de génération de signaux de commande 11 et 12.transformateurs 13.- charge (chauffage par induction, laser, plasma ou simi- laire). La mission de ces éléments consiste à appliquer à une charge qui est essentiellement constituée par un circuit résonnant, une puissance réglable dont la fréquence est égale ou très proche de la fréquence de résonance propre de la char- 1 ge à tout moment. La fréquence de cette puissance de sortie varie automatiquement pour suivre n'importe quel changement de la fréquence propre de résonance de la charge produite par des changements de cette charge ou des caractéristiques élec- triques de cette dernière. La fréquence propre de résonance des charges utili- sées pour le chauffage par induction, dans les équipements la- ser, dans les équipements de plasma ou similaires, varie se- lon l'appiication et même, pour une même application, pendant le processus de chauffage et d'excitation. Pour que les transistors de l'inverseur fonctionnent correctement et appliquent la puissance à la charge, il est nécessaire que l'inverseur fonctionne à la fréquence propre de résonance de cette dernière ou à une fréquence très proche. En outre, l'inverseur ne doit pas recevoir une puissance ap- préciable s'il n'est pas en fonctionnement à la fréquence pro- pre de résonance de la charge ou très proche de cette derniè- re. Pour obtenir cet accouplement de fréquence, on pro- cède de la façon suivante: Au moyen d'un circuit auxiliaire on applique à l'in- verseur à transistors et par conséquent au circuit résonnant de la charge, des impulsions de fréquence variable. On mesure instantanément le déphasage entre la tension et le courant de- la charge dans toute la gamme de fréquence fournie. Lorsque le déphasage est nul ou presque nul, la fréquence d'application des impulsions est égale à la fréquence propre de résonance du circuit oscillant de la charge ou très proche de cette fré- quence. Par conséquent, le fonctionnement du circuit se stabi- lise à cette fréquence et en même temps le circuit émet un si- gnal vers le circuit de démarrage pour autoriser l'application de la puissance à l'inverseur et par conséquent à la charge. Le système de poursuite automatique de fréquence agit au moment du démarrage et pendant tout le fonctionnement. Ce système est chargé d'établir un balayage des fré- 1 quences de la charge à travers l'inverseur à transistors, de mesurer le déphasage entre le courant et la tension appliquée à la charge à ces fréquences, de façon que lorsque ce déphasa- ge est égal à zéro ou presque égal à zéro, du fait que la fré- quence de balayage est égale à la fréquence propre de réso- nance de la charge, le système stabilise le fonctionnement de l'inverseur à cette fréquence et permet l'application de puis- sance à l'inverseur et à travers ce dernier à la charge. Le démarreur est le circuit destiné à limiter l'ap- plication de courant au pont inverseur et par conséquent à la charge à une valeur très réduite lorsque la fréquence de fonc- tionnement de l'inverseur n'est pas égale à celle de la charge ou presque égale à cette dernière. Au contraire, le démarreur permet le passage libre du courant lorsque l'inverseur a stabilisé son fonctionnement à la fréquence propre de résonance de la charge. Dans une réalisation pratique, le démarreur est cons- titué fondamentalement par une résistance et un transistor en parallèle. Lorsque la fréquence de fonctionnement de l'inverseur est différente de la fréquence de résonance propre de la char- ge, le circuit de poursuite automatique de fréquence envoie un signal qui bloque le transistor et par conséquent le courant doit passer à travers la résistance dont la valeur est telle que l'intensité de passage du courant est limitée. Lorsque l'on a atteint un fonctionnement stable et par conséquent lorsque la fréquence de l'inverseur est égale à la fréquence propre de la charge ou presque égale à cette dernière, le circuit de poursuite automatique de fréquence débloque le transistor et permet qu'il soit conducteur, ce qui fait que tout le courant passe à travers ce transistor sans autre limita- tion que celles qui sont imposées par l'interrupteur périodique (chopper) situé en amont. Pour obtenir ces résultats, le générateur a été doté d'une configuration du type représenté dans la figure 1, et l'on a conçu une série de circuits dont l'originalité est éga- 1 lement revendiquée. Le fonctionnement du générateur selon l'invention est décrit dans ce qui suit en se référant à la figure 1. Le courant du réseau tripnasé d'alimentation est appliqué à un pont redresseur à diodes 1 qui le transforme en courant continu pour alimenter l'inverseur. Ce courant continu passe à travers un interrupteur périodique (chopper) 2 qui con- trôle la puissance appliquée à la charge au moyen de la largeur de l'impulsion fournie au transistor interrupteur périodique. Ce contrôle peut être réalisé manuellement ou au moyen d'une tension ou d'un courant de référence qui peut provenir du gé- nérateur lui-même ou d'une source extérieure. A partir de l'interrupteur périodique, le courant continu traverse le démarreur 3 dont le fonctionnement sera décrit plus loin et dont la fonction fondamentale consiste à limiter le courant appliqué à la charge lorsque lz fréquence des impulsions de base et la fréquence propre de résonance de la charge sont égales ou très proches l'une de l'autre. Lorsque l'on a obtenu la synchronisation entre les impulsions de base et la fréquence propre de la charge, un circuit automatique élimine ce démarreur et l'interrupteur périodique fournit li- brement la puissance à la charge jusqu'à la valeur prédéter- minée extérieurement. Le courant est transmis au circuit in- verseur à transistors à travers deux bobines de filtrage 4 dQnt la fonction fondamentale consiste à constituer une source de courant pour la charge au lieu d'une source de tension. En mê- me temps ces bobines de filtrage empêchent le retour des cou- rants de haute fréquence provenant de la charge et de l'înver- seur vers le circuit d'alimentation. L'inverseur à transistors 5 consiste en un pont com- plet dont la fréquence de commutation s'adapte automatiquement à la fréquence de la charge, malgré les variations de la char- ge ou malgré les caractéristiques variables de la charge pen- dant l'opération de chauffage. Dans l'inverseur on peut utiliser également d'autres configurations de pont, par exemple un demi-pont ou un montage 1 similaire. On peut employer des transistors MOSFET, bipolaires, des combinaisons de ces derniers ou similaires. Un système électronique de poursuite automatique de fréquence 6 adapte les impulsions de déclenchement appliquées à l'inverseur à transistors, à la fréquence propre de réso- nance de la charge. Tout cet ensemble est contrôlé par des plaques de circuits électroniques de contrôle 7 et 10 qui comportent tous les systèmes de régulation et de protection. Les transformateurs 11 et 12 transmettent à la plaque du circuit de contrôle les signaux d'intensité et de courant de la charge 13. Dans les cavités laser et dans les circuits de chauf- fage par induction, la charge peut varier en fonction de l'ap- plication et, en outre,'les caractéristiques électriques de la charge varient pendant l'opération de chauffage. Une conse- quence de cette variation des caractéristiques électriques con- siste en ce que la fréquence propre de résonnance du circuit de charge varie en fonction des différentes applications et également pendant l'opération de chauffage. La transmission optimale de la puissance, et par conséquent le meilleur rende- ment énergétique sont obtenus lorsque la fréquence du généra- teur est exactement égale à la fréquence propre de la charge.. Ceci est obtenu au moyen du système de poursuite au- tomatique de fréquence dont le fonctionnement consiste à créer une série d'impulsions de déclenchement qui sont appliquées aux transistors du pont inverseur dont la fréquence varie pro- gressivement. Simultanément, et au moyen du circuit correspondant, on mesure le déphasage qui existe entre tension et courant de la charge. Comme il est bien connu, lorsque la fréquence des impulsions est différente de la fréquence propre de la charge, il se produit un déphasage entre tension et courant. La tension et le courant-de la charge sont en phase ou présentent un dépha- 1 sage proche de zéro seulement lorsque ces deux fréquences coin- cident ou sont très proches l'une de l'autre. Le système de poursuite automatique de fréquence produit ces impulsions de fréquence variable et détecte le déphasage entre tension et courant de la charge. Lorsque le déphasage est égal à zéro ou presque égal à zéro, ces impulsions se maintiennent à cette fréquence, et le transistor du démarreur reçoit un signal de saturation, ce qui fait qu'il peut transmettre toute la puis- sance à la charge sans autre limitation que celles qui ont été établies préalablement au moyen des commandes correspondantes. En cas de besoin, le redresseur, l'interrupteur périodique et éventuellement le démarreur, peuvent être remplacés par un re- dresseur cormmandé à thyristors ou transistors indistinctement, ce qui permet d'obtenir les mêmes effets que ceux des éléments qu'il remplace. LJa figure 2 représente à titre explicatif, mais sans caractère limitatif, un circuit utilisé pour réaliser la pour- suite automatique de fréquence. Il comporte les éléments suivants: 14.- compteur 15.- convertisseur numérique/analogique (N/A) 16.- oscillateur 17.- détecteur de module et de signe de déphasage 18.- comparateur à hystérésis DESCRIPTION DU FONCTIONNEMENT Avant d'appliquer la puissance (signal M/A pour marche/arrêt),le compteur 14 est bloqué. Par conséquent la sortie du convertis- seur N/A 15 est égale à zéro et Vfmax fait que l'oscillateur commandé (Vco) 16 oscille à la même fréquence. Au moment d'ap- pliquer la puissance, le blocage du compteur est supprimé et celui-ci commence à compter dans le sens ascendant, ce qui fait que la sortie du convertisseur 15 commence à augmenter et le Vco produit des impulsions à une fréquence qui diminue progres- sivement. Ces impulsions qui traversent les amplificateurs 19 et 20, sont transformées en impulsions de déclenchement de l'in- 1 verseur à transistors 5. Au moyen du détecteur de module et de signe de déphasage 17, on surveille le déphasage entre la tension et le courant dans la charge. Lorsque le signe du dé- phasage change, le compteur 14 compte dans le sens descendant et le Vco 16 tend à produire des impulsions de fréquence tou- jours plus élevée. L'équilibre est atteint lorsque le déphasa- ge dans la charge est nul et par conséquent la fréquence des impulsions de déclenchement de l'inverseur à transistors 5 est égale à la fréquence de la charge. Le système est par consé- quent capable de suivre à tout moment les variations de fré- quence dans la charge. DESCRIPTION DU CIRCUIT DE DEMARRAGE Le circuit de démarrage, dont on a omis pour plus de clarté les réseaux de commutation, est représenté dans la fi- gure 3. Le transistor T1 est piloté par le circuit de pour- suite automatique de fréquence (figure 2) de façon que si le déphasage entre tension et courant dans la charge n est pas pratiquement égal à zéro, la sortie du comparateur à hystéré- sis 18 de la figure 2 produit le blocage du transistor T1 et par conséquent, dans ce cas, le courant qui peut traverser la résistance R est limité. La sortie du comparateur 18 agit également sur la plaque de régulation 7 de façon à ce que lorsque le déphasage- en question n'est pas proche de zéro, la largeur des impulsions de l'interrupteur périodique 2 soit la plus réduite. Lorsque le déphasage est égal ou presque égal à zéro, la fréquence des impulsions de déclenchement appliquées au pont inverseur 5, qui sont produites par le Vco 16,est proche de la fréquence de résonance de la charge 13, et le signal change d'état pour saturer le transistor T1 et court-circuiter la ré- sistance de limitation R. D'autre part, la largeur des impulsions de l'inter- rupteur périodique augmente avec une constante de temps qui est comprise entre la valeur minimum et la valeur obtenue lors- que le courant ou la tension atteignent les valeurs prédéter- minées. La structure active, représentée dans la figure 4, correspond à la réalisation pratique des blocs QI1, Q2, Q3 et Q4 de l'inverseur 5, et l'on observera que la configuration d'une diode suivie de transistors peut être modifiée et que l'on peut même utiliser un autre type de transistors, par exem- ple des transistors MOSFET et même des combinaisons de transis- tors MOSFET et bipolaires. Les réseaux de commutation ont été 0 omis de façon délibérée pour obtenir une plus grande clarté d'exposition. Bien entendu, diverses modifications peuvent être ap- portées par l'homme de l'art aux dispositifs ou procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemple non limi- tatif sans sortir du cadre de l'invention. R E V E N D I C A T I 0 N S 1) Générateur à haute fréquence applicable au chauffage par induction, aux équipements laser, aux équipements de plasma et similaires, caractérisé en ce qu'il est constitué par les ensembles ou systèmes suivants: - un pont redresseur à diodes (1), - un interrupteur périodique (chopper) (2), - un démarreur ou circuit de démarrage (3), - des bobines de filtrage (4), - un inverseur à transistors (5), - un système de poursuite automatique de fréquence (6), - un système de régulation et protection (7), - des circuits de déclenchement (8, 9), - un système d'alimentation, supervision et génération des signaux de commande (10), - des transformateurs (11, 12), - une charge (13) (chauffage par induction, laser, plasma ou similaire), qui sont destinés à permettre l'application à une charge (13) constituée essentiellement par un circuit résonnant, d'une puissance réglable,dont la fréquence est égale à la fréquence de résonance propre de la charge à tout moment ou très proche de cette dernière, la fréquence de cette puissance de sortie variant automatiquement pour suivre tous les changements de la fréquence propre de résonance de la charge, qui sont produits par les changement de cette charge ou des caractéristiques électriques de cette dernière. 2) Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est réalisé pour effectuer un balayage des fréquences appliquées à la charge (13) à traveis l'inverseur à transistors (5), la mesure du dépha- sage entre le courant et la tension dans la charge à ces fréqurnces, et lorsque le déphasage est égal à zéro ou presque égal à zéro, du fait que la fréquence de balayage est égale à la fréquence propre de résonance de la charge, la stabilisation du fonctionnement de l'inverseur à cette fréquence pour permettre ensuite l'application de puissance à l'inverseur et à travers ce dernier à la charge, une réalisation pratique du circuit de poursuite automatique de fréquence (6) étant constituée par un compteur (14), un convertisseur numérique analogique (15), un oscillateur (16), un détecteur de module et de signe de déphasage (17) et un conmparateur à hystérésis (18). 3) Générateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le circuit de démarrage (13) limite l'application de puissance à l'inverseur à tran- sistors (5) et par conséquent à la charge (13) lorsque la fréquence de fonctionnement de l'inverseur n'est pas égale ou presqie égale à la fréquence de résonance de la charge, tandis que, lorsque ces deux fréquences sont égales ou très proches l'une de l'autre, le démarreur (3) permet le passage de la puissance sans autre limitation que la régu- lation établie préalablement, une réalisation pratique de ce démarreur étant constituée par un circuit qui comporte une résistance (R) et un transistor (T1) en parallèle, ce qui fait que, si au moment du démarrage ou pendant le fonctionnement la fréquence de l'inverseur et celle de la charge ne sont pas égales ou presque égales, le tran- sistor se trouve bloqué et tout le courant doit traverser la résistance qui limite sa valeur et, lorsque ces deux fréquences sont égales ou presque égales, le transistor est débloqué et tout le courant passe à travers lui. 4) Générateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par l'utilisation d'une structure active qui correspond à chacun des blocs (Q1 à Q4) de l'inverseur (5), constituée de préférence par une diode suivie de transistors.