Brevet FR2605469A1 — publié le 19880422

La présente invention concerne un procédé et un dispositif d'alimentation à haute tension, à haute et moyenne fréquence, pour un appareil à impédance tel qu'un appareil à décharge gazeuse. D'après la demande de brevet allemand DE-OS 3 027 112, on connait un dispositif d'alimentation pour des ozoniseurs, comportant un redresseur d'entrée piloté pour produire une tension continue à partir du courant triphasé du secteur, et un condensateur de filtrage pour filtrer la tension redressée. Aux bornes du redresseur est monté un onduleur comportant des thyristors montés deux par deux en série. Aux points de jonction entre les thyristors est branché l'enroulement primaire d'un transformateur dont le secondaire alimente en parallèle les divers ozoniseurs. Sous l'effet d'un mode d'excitation approprié des thyristors,on obtient des impulsions de tension à une fréquence prédéterminée. Les thyristors n'ont besoin que d'une faible puissance d'excitation, mais leur utilisation est limitée aux fréquences inférieures à 1 kHz car, au-dessus de cette valeur de la fréquence, il faut prévoir des circuits d'extinction pour les thyristors, ce qui entrain une forte déperdition de puissance. L'invention a pour but de proposer un procédé et un dispositif d'alimentation à haute tension, opérant à une tension effective de 0,5 à 10 kV et à une fréquence pouvant aller jusqu'à 100 kHz, pour alimenter un appareil à impédance, tel qu'un appareil à décharge gazeuse, avec un rendement amélioré, afin d'obtenir par exemple avec un ozoniseur ainsi alimenté un débit d'ozone plus important pour une même puissance électrique consommée. Selon l'invention, le procédé pour réaliser une alimentation à haute tension à haute ou moyenne fréquence, pour desservir un appareil à impédance tel qu'un appareil à décharge gazeuse, comportant une arrivée de courant redressé à partir du secteur alternatif, et un système de rupteurs pour convertir ce courant en impulsions alternatives, qui sont transmises à l'appareil ainsi alimenté par l'intermédiaire d'un transformateur à haute tension, est caractérisé en ce qu'on effectue la conversion du courant d'alimentation à la fréquence de résonance du circuit secondaire. Selon l'invention, un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé comporte un oscillateur réglé sur la fréquence de résonance du circuit secondaire, pour commander le système des rupteurs. Selon l'invention, le dispositif peut comporter un circuit de réglage de fréquence qui commande le système des rupteurs, en fonction de la fréquence de résonance du circuit de résonance qui peut varier sous l'effet de l'appareil desservi. Du fait que les rupteurs qui produisent les impulsions de tension alternative fonctionnent à la fréquence de résonance du circuit secondaire, on obtient une perte minimale de puissance au moment du transfert d'énergie,ce qui permet de réduire l'importance des organes concernés et les cofts correspondants. En prévoyant un circuit de réglage de fréquence, qui détermine la fréquence de résonance du circuit secondaire pour régler en conséquence la fréquence d'excitation des rupteurs, on évite les pertes de puissance réactive sous l'effet d'un désaccord de résonance, meme en cas de variation de la puissance absorbée par l'appareil ainsi alimenté. En utilisant des rupteurs électroniques constitués par des transistors du type P-MOS, on peut obtenir une grande rapidité de fermeture et de coupure, sans avoir recours à des circuits d'extinction. Par rapport à des transistors de puissance du genre usuel, on réduit considérablement les pertes d'excitation et de commutation. En faisant agir les rupteurs électroniques à une faible valeur de la tension, et de préférence au minimum de la tension de résonance sensiblement sinusordale du circuit secondaire, on peut réduire les pertes de commutation et le nombre des commutateurs électroniques. Grâce à un diviseur réglable ou programmable,pour commander le rapport du nombre de périodes du signal sinu soidal du circuit secondaire qui sert pour le couplage de puissance, on peut réaliser un dispositif d'alimentation à haute tension de puissance variable. On va maintenant décrire à titre d'exemples deux modes de réalisation de l'invention, en référence aux dessins annexés, dans lesquels Fig. 1 est un schéma de principe d'un premier mode de réalisation du système d'alimentation à haute fréquence conforme à l'invention ; Fig. 2 est un schéma d'un deuxième mode de réalisation du même système d'alimentation. Sur le schéma de la Figure 1, on a représenté un redresseur de courant 1 branché sur le secteur, et relié par l'intermédiaire d'un condensateur de filtrage 2 à un système de rupteurs de courant continu 3, lui-même relié à l'en- roulement primaire d'un transformateur à haute tension 4. En parallèle avec l'enroulement secondaire du transformateur à haute fréquence 4 est prévu un condensateur de renfort 5 par rapport auquel est monté en parallèle un appareil à impédance 6, tel que par exemple un appareil ozoniseur. L'enroulement secondaire du transformateur 4, ou un enroulement complémentaire relié au secondaire, ou encore un diviseur de tension à grande résistance ohmique (non représenté) prévu dans le circuit secondaire 14, est relié à un vérificateur de fréquence 7. Celui-ci est raccordé, par l'intermédiaire d'un commutateur à deux positions 8, à un générateur d'impulsions à pentes raides 10 qui commande les rupteurs de courant continu 3. Un oscillateur 9 est relié par ailleurs au commutateur à deux positions 8.Le signal d'entrée du vérificateur de fréquence 7 est appliqué en outre à un comparateur de tension 11, qui a pour roule de comparer à une valeur de consigne la valeur instantanée de la tension et qui est relié à un bloc d'affichage 12, servant à introduire la valeur de consigne de la tension. La sortie du comparateur de tension 11 est reliée à un régulateur de tension 13 qui est associé au générateur d'impulsions à pentes raides 10. Grâce à l'inductivité de l'enroulement secondaire 14 du transformateur 4, qui comporte de préférence un noyau en ferrite, en combinaison avec le condensateur de renfort 5 et avec l'impédance 6, le circuit secondaire 14 constitue un circuit oscillant en parallèle, dont la puissance réactive est sensiblement nulle à la fréquence de résonance de ce circuit oscillant. Cette fréquence de résonance varie au cours du fonctionnement du système d'alimentation à haute tension, car la charge 6 est variable.Pour tenir compte de cette variation de fréquence, on a prévu le circuit de réglage de fréquence, dans lequel le générateur d'impulsions à pentes raides 10 commande le système de rupteurs de courant continu 3, en fonction du signal de sortie du vérificateur de fréquence 7 qui détermine la fréquence de résonance du circuit secondaire 14, afin de faire fonctionner le système de rupteurs 3 à la fréquence de résonance en question. Le vérificateur de fréquence 7 peut être constitué par un circuit du type dit "en boucle de phase bloquée" ou PLL. Pour réaliser le système de rupteurs de courant continu, on utilise par exemple des transistors du type P-MOS, qu'il est recommandé d'actionner au moyen d'impulsions rectangulaires à pente très raide, pour réduire les pertes. Le système de rupteurs de courant continu est réalisé de telle manière que ces rupteurs fonctionnent en "push-pull", afin d'obtenir un meilleur rendement. Ce fonctionnement des rupteurs de courant continu s'effectue à la fréquence de résonance, avec fermeture au voisinage du minimum de la tension de résonance, c'est-àdire au voisinage des points de retour de la courbe de cette tension, de sorte qu'on maintient à un faible niveau les pertes de commutation. I1 faut que les impulsions de commande aient une durée brève par rapport à la période de la tension en cause, pour éviter les oscillations harmoniques. La mise sous tension du système d'alimentation provoque une réaction du commutateur à deux positions 8 qui comporte une bascule mono stable à réarmement et qui assure la mise en coincidence des impulsions de commande desti nées au groupe de rupteurs de courant continu 3, à la fréquence de l'oscillateur 9. On obtient ainsi un fonctionnement sur, même à pleine charge. Pour réduire à un niveau minimum les pertes réactives, on règle la fréquence de l'oscillateur 9 à la fréquence de résonance du circuit secondaire 14 pour la puissance maximale. Une autre possibilité consiste à choisir la fréquence de l'oscillateur d'après la fréquence de résonance du point de fonctionnement probable.Lorsque le vérificateur de fréquence 7 a vérifié la fréquence du circuit secondaire 14, le commutateur à deux positions 8 réagit, pour que le pilotage des rupteurs de courant continu 3 ne dépende plus désormais que du signal de rétroaction. En plus du circuit de réglage de fréquence est prévu un circuit de réglage de tension, comportant un comparateur 11 qui compare à une valeur de consigne la valeur effective de la tension au secondaire. Dans un appareil de décharge à gaz qui est alimenté par un circuit oscillant en parallèle, la résistance varie lorsqu'on dépasse la tension d'amorçage. Cette variation de charge entraine un abaissement de la fréquence de résonance et une réduction de tension. On peut alors assurer la régulation de tension par une modulation de largeur d'impulsions,consistant à faire varier la largeur des impulsions d'excitation en fonction du signal du régulateur de tension 13, ce qui entrain également une variation de la fréquence de résonance du circuit secondaire.Dans un autre mode de réalisation (non représenté), on peut assurer la régulation de tension en agissant sur le niveau de la tension continue à l'endroit du redresseur de courant branché sur le réseau, par exemple au moyen d'un dispositif de coupure à commande déphasée. I1 existe encore une autre possibilité (non représentée), consistant à assurer la régulation en agissant sur la charge, c'est-à-dire sur le débit d'ozone si le système considéré sert par exemple à alimenter un appareil ozoniseur. Dans ce cas, on mesure alors le débit d'ozone et, si ce débit s'écarte d'une valeur prescrite, on corrige la tension, comme exposé plus haut. Le condensateur de renfort 5 constitue en combinaison avec l'enroulement secondaire un circuit oscillant qui possède une fréquence de résonance fondamentale. L'introduction de la charge 6 dans le circuit oscillant a pour effet de modifier la fréquence de résonance d'ensemble du circuit secondaire 14. Pour retrouver de manière sbre la fréquence de fonctionnement correcte des rupteurs de courant continu, il faut maintenir à une valeur aussi faible que possible l'écart de la fréquence de résonance fondamentale par rapport à la fréquence de résonance d'ensemble. C'est pourquoi on prévoit pour le condensateur de renfort 5 une valeur de capacité telle que l'écart en question reste autant que possible au-dessous de 50 %. Les condensateurs de renfort adaptés à des tensions allant jusqu'à une valeur effective de 10 kV sont très onéreux. C'est pourquoi on peut prévoir sur le secondaire du transformateur une prise divisionnaire de tension, qui couvre une plage de quelques centaines de volts seulement, pour assurer l'effet de renfort en question en basse tension. En ce cas, les oscillations électriques se produisent à basse tension dans le circuit résonant du secondaire, mais l'alimentation de l'appareil concerné s'effectue par contre à haute tension. L'enroulement secondaire du transformateur est alors réalisé en partie avec un conducteur de forte section, à l'endroit du circuit de la prise de tension divisionnaire, et en partie avec un conducteur de faible section, à l'endroit du circuit d'alimentation à haute tension. Dans le mode de réalisation considéré sur la Figure 1, le circuit secondaire 14 constitue un circuit oscillant en parallèle. Bien entendu, on peut aussi prévoir un circuit oscillant monté en série, auquel cas on règle l'intensité du courant au lieu de régler la tension. Lorsqu'on utilise le système d'alimentation à haute tension pour faire fonctionner un appareil générateur d'ozone, on prévoit une possibilité de coupure de la haute tension, pour le cas où la tension secondaire dépasse une valeur maximale admissible, ou si la concentration d'ozone ou la concentration ionique devient trop élevee. En outre, on assure une limitation d'intensité en réalisant les rupteurs au moyen de transistors du type P-MOS. Grâce à cette précaution, on prévient les risques de court-circuit dans l'appareil branché sur le réseau, et on évite une surcharge d'intensité. Le signal de rétroaction, qui peut être produit au choix par un enroulement de rétroaction ou par un diviseur de tension d'ordre très élevé du circuit secondaire, sert en même temps à indiquer la haute tension sur l'appareil. Le signal produit par l'enroulement de rétroaction est également utilisé pour vérifier la symétrie du transformateur et le taux de saturation du noyau ferromagnétique. On a représenté sur la Figure 2 un autre mode de réalisation, dans lequel le circuit de réglage de fréquence est agencé d'une manière un peu différente. Les éléments 1 à 6 de ce système correspondent à ceux de la Figure 1. Les rupteurs de courant continu de ces deux modes de réalisation sont montés de manière à opérer en rupture complète ou en semi-rupture, et à fonctionner en coincidence de phase ou en opposition. On peut également utiliser des commutateurs de puissance différents, par exemple des commutateurs électroniques ainsi que des tubes à gaz ou dispositifs analogues. Comme déjà indiqué, le condensateur de renfort n'est pas absolument obligatoire, et on peut donc le prévoir ou non, au choix. Dans le mode de réalisation de la Figure 2, le secondaire du transformateur peut être relié directement à l'en- roulement secondaire d'un transformateur supplémentaire,ou encore relié par l'intermédiaire d'un diviseur de tension à un convertisseur analogique/numérique 20, qui comporte un convertisseur d'impédance, un détecteur de point zéro, et éventuellement un détecteur de valeur de pointe, pour produire à partir du signal sinusoïdal un signal de profil rectangulaire, qui contient les informations concernant la fréquence et la phase du signal du circuit secondaire. Le convertisseur analogique/numérique 20 est raccordé à une unité de traitement de signal 21, qui comporte un circuit de déphasage et un circuit d'adaptation de niveau. On peut également prévoir un dispositif de couplage de fréquence, pour le cas où les rupteurs de courant continu fonctionnent en opposition. L'unité de traitement de signal 21 est reliée à un bloc d'excitation 22 qui commande le système des rupteurs, et qui comporte au moins un générateur de fréquence 23 jouant le règle de générateur d'oscillations, et un comparateur 24. La sortie du générateur d'oscillations 23 est reliée à une entrée du comparateur 24 dont l'autre entrée est soumise à une tension de comparaison, de valeur fixe ou réglable à la main ou sous l'effet d'un autre circuit de réglage 27. Dans le mode de réalisation de la Figure 2, ce circuit de réglage 27 peut être prévu pour jouer le rô- le d'un circuit de réglage de tension, permettant de comparer à une valeur de consigne la valeur effective de la tension au secondaire, pour délivrer au comparateur 24 une tension dont la valeur dépend du résultat.On peut aussi réaliser le circuit de réglage 27 pour qu'il réagisse en fonction de la concentration en C03 que l'on mesure à l'endroit de l'ozoniseur, pour comparer cette concentration à une valeur de consigne. Le circuit d'excitation 22 débite à travers un diviseur 25, qui est réglable ou programmable, dans un circuit d'attaque 26 lui-même relié au système des rupteurs de courant continu 3. On va maintenant exposer le mode de fonctionnement du circuit de réglage de fréquence qui vient d'être décrit. Comme déjà indiqué, la sortie du convertisseur analogique/numérique 20 produit un signal numérique qui contient des informations sur la fréquence et la phase du signal du secondaire. L'adaptation de niveau de l'unité de traitement de signal 21 peut s'effectuer par exemple par un circuit de différenciation, qui produit des impulsions de tension en fonction des pointes de fréquence. Ces impulsions de tension servent à assurer;la synchronisation du générateur d'oscillations 23, afin de le maintenir en phase, pour obtenir à l'entrée du comparateur 24 un si- gnal en dents de scie dont la fréquence et la phase correspondent au signal du circuit secondaire 14.Ce signal en dents de scie est comparé à la valeur de la tension produite par le circuit de réglage 27, si bien qu'on obtient à la sortie du comparateur 24 des impulsions de largeur modulée. Celles-ci sont appliquées au système de rupteurs de courant continu 3, par l'intermédiaire du circuit d'attaque 26, pour assurer un couplage de puissance par impulsions à pentes raides. Dans le mode de réalisationconsi- déré ici à titre d'exemple, on utilise un générateur d'oscillations. Bien entendu, on peut également utiliser aussi d'autres oscillateurs synchronisables à déphasage stable, réalisés de différentes manières, et notamment des circuits du type PLL. L'expérience montre, comme on l'a déjà dit, que le couplage de puissance pour être favorable doit s'effectuer à l'intérieur d'une plage déterminée de l'onde sinusofdale, comme par exemple à proximité du point de retour, et de préférence à l'endroit du minimum de la tension de résonance ou à proximité de ce minimum, afin de maintenir à un faible niveau les pertes de commutation. Pour assurer le déphasage des impulsions du signal de couplage, avec le calage souhaité sur les oscillations sinusoidales, l'unité de traitement de signal 21 comporte un déphaseur, pour agir sur le déphasage des pointes de tension produites par l'unité de traitement 21, et donc agir sur les pointes de tension du signal en dents de scie. En outre, pour faire varier le débit de production de l'ozoniseur, on a prévu un diviseur réglable ou programmable 25, qui permet de modifier le rapport du nombre de périodes servant au couplage de puissance, pour que ce couplage s'effectue suivant le débit souhaité, à un taux de division correspondant, d'ordre "n", , sur un ensemble d'os- cillations successives du signal sinusoidal,"n" valant 1,2, 3... etc. Grâce au procédé et au dispositif proposés par l'invention, qui permettent de combiner une alimentation à oscillations libres avec une alimentation à circuits pilotés, on profite à la fois des avantages d'une alimentation à oscillations libres en utilisant l'énergie de ces oscillations pour faire fonctionner un appareil tel qu'un ozoniseur, et des avantages d'un couplage de puissance par impulsions à pentes raides assuré par des circuits de commutation appropriés. Dans chacun des modes de réalisation que l'on vient de décrire à titre d'exemples, on a prévu des circuits de réglage de fréquence. Mais dans un mode de réalisation simplifié de l'invention, il suffit d'utiliser un oscillateur qui est réglé à demeure sur la fréquence de résonance du circuit secondaire. Dans ce cas, c'est à partir du signal de sortie à fréquence de résonance fixe de l'oscillateur que sont produites les impulsions qui commandent le couplage de puissance. REVENDICATIONS 1. Procédé pour réaliser une alimentation à haute tension à haute ou moyenne fréquence, pour desservir un appareil à impédance (6) tel qu'un appareil à décharge gazeuse, comportant une arrivée de courant redressé à partir du secteur alternatif, et un système de rupteurs (3) pour convertir ce courant en impulsions alternatives, qui sont transmises à l'appareil ainsi alimenté par l'intermédiaire d'un transformateur à haute tension (4), caractérisé en ce qu'on effectue la conversion du courant d'alimentation à la fréquence de résonance du circuit secondaire (14). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on convertit le signal sinusoidal du circuit secondaire (14) en un signal d'excitation à impulsions de phase constante qui contiennent des indications de fréquence et de phase, pour assurer en cadence le couplage de puissance du système des rupteurs d'alimentation, les impulsions de ce signal d'excitation étant brèves par rapport à la durée de la période du signal sinusoidal. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on effectue un déphasage pour assurer le calage des signaux d'excitation à un instant prédéterminé de la période du signal sinusoidal. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on effectue le couplage des signaux d'excitation à une faible valeur de la tension, et de préférence au voisinage du minimum ou du point de retour de la tension de résonance. 5, Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on réalise le couplage de puissance des signaux d'excitation à chaque période d'ordre "n" du signal sinusoïdal du circuit secondaire, "n" étant égal à 1,2,3,etc... 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on règle à une valeur choisie à l'avance la tension ou l'intensité du courant d'alimentation de l'appareil desservi. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on règle à une valeur choisie l'effet produit par l'appareil desservi. 8. Procédé selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce qu'on réalise le réglage en agissant sur la largeur des impulsions du courant. 9. Procédé selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce qu'on réalise le réglage en agissant sur le niveau de la tension continue. 10. Dispositif d'alimentation à haute tension, à haute et moyenne fréquence, pour un appareil à impédance (6), fonctionnant suivant le procédé conforme à l'une des revendications 1 à 9, et comportant une arrivée de courant redressé à partir du secteur alternatif, un système de rupteurs (3), et un transformateur à haute tension (4) dont le secondaire (14) est relié à l'appareil (6) à desservir, caractérisé en ce qu'il comporte un oscillateur (10) réglé sur la fréquence de résonance du circuit secondaire,Dour commander le système des rupteurs (3). 11. Dispositif d'alimentation à haute tension, à haute et moyenne fréquence, pour alimenter un appareil à impédance (6), fonctionnant suivant le procédé conforme à l'une des revendications 1 ou 2, comportant un redresseur de courant du secteur (1,2), un système de rupteurs (3), et un transformateur à haute tension (4) dont le secondaire (14) est relié à l'appareil desservi (6), caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de réglage de fréquence (22) qui commande le système des rupteurs, en fonction de la fréquence de résonance du circuit de résonance qui peut varier sous l'effet de l'appareil desservi. 12. Dispositif d'alimentation selon la revendication 11, caractérisé en ce que le circuit de réglage de fréquence comporte un oscillateur stable en phase, qui peut être synchronisé sur la fréquence de résonance du circuit secondaire. 13. Dispositif d'alimentation selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte un oscillateur de fréquence fixe, réglée sur la fréquence de résonance pré vue, cet oscillateur n'agissant qu'à la mise sous tension du système d'alimentation, pour fournir les impulsions servant à assurer le couplage de puissance du système des rupteurs ; et un inverseur associé à l'oscillateur,pour réagir à l'établissement de la fréquence de résonance du circuit secondaire, sous l'effet du circuit de réglage de fréquence, pour mettre l'oscillateur hors circuit et se brancher sur le circuit de réglage de fréquence. 14. Dispositif d'alimentation selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte un déphaseur (21), pour faire varier le déphasage des impulsions d'excitation suivant un instant prédéterminé de la période du signal sinusoïdal du circuit secondaire. 15. Dispositif d'alimentation selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte un diviseur réglable ou programmable (25), pour commander le couplage de puissance des impulsions d'excitation à toute période d'ordre "n" du signal sinusoïdal du circuit secondaire, "n" étant le facteur de division, égal à 1,2, 3,..etc. 16. Dispositif d'alimentation selon l'une des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que le système des rupteurs (3) comporte des commutateurs électroniques constitués par des transistors du type P-MOS. 17. Dispositif d'alimentation selon l'une des revendications 10 et 11, caractérisé en ce qu'il comporte un condensateur de renfort (5), monté en parallèle sur l'enrou- lement secondaire (14) du transformateur (4). 18. Dispositif d'alimentation selon l'une des revendications lo à 17, caractérisé en ce qu'il sert à alimenter un appareil producteur d'ozone.