Brevet FR2658011A1 — publié le 19910809

i DISPOSITIF D'ALIMENTATION ELECTRIQUE POUR UN OU PLUSIEURS LASERS A VAPEUR METALLIQUE. Description La présente invention a pour objet un dispositif d'alimentation électrique pour un ou plusieurs lasers à vapeur métallique Elle s'applique notamment à l'alimentation électrique simultanée d'un grand nombre de lasers à vapeur métallique. En référence à la figure 1, on décrit maintenant un dispositif usuel pour alimenter un laser à vapeur métallique. De manière connue, la tension alternative délivrée par le réseau, 380 V triphasé par exemple, est convertie par un convertisseur 10 en une tension continue mais d'amplitude réglable à volonté. Le convertisseur 10 comporte un module de réglage 12 à autotransformateur variable et délivrant une tension alternative d'amplitude variable Un transformateur élévateur de rapport de transformation fixe 14 transforme cette tension alternative variable en une haute tension alternative d'amplitude variable Un circuit de redressement et de filtrage 16 permet la transformation de la haute tension alternative en une haute tension continue d'amplitude variable. Cette haute tension continue délivrée entre les sorties (+) et (-) du convertisseur 10 est transformée en tension impulsionnelle délivrée sur les électrodes du tube 18 du laser à vapeur métallique. La tension impulsionnelle est produite grâce à la décharge d'un condensateur de charge 20. Une bobine d'induction 22, d'inductance fixe, est connectée à la sortie (+ ) du convertisseur et d'autre part, à une électrode d'une diode 24. L'autre électrode de la diode 24 est connectée en un point A à une armature du condensateur 20. L'autre armature du condensateur 20 est connectée à une première électrode 26 du tube 18. L'autre électrode 28 du tube 18 est portée au potentiel de masse. Une bobine d'induction 30 dont l'inductance est d'environ 50 n H est connectée aux électrodes 26, 28 du tube 18 en un montage parallèle Cette bobine 30, dont l'inductance est très supérieure à celle du tube 18 permet la charge du condensateur 20. Une impulsion électrique de commande Ic provoque la fermeture brutale d'un interrupteur commandable 32, un thyratron par exemple, relié au point A d'une part et à la sortie (-) du convertisseur 10 d'autre part La fermeture de l'interrupteur 32 provoque la décharge du condensateur à travers le tube 18. Un condensateur 34 connecté, en un montage parallèle aux sorties (+) et () du convertisseur permet d'éviter la chute de tension due à l'appel de courant lors de la recharge du condensateur 20 (fait office de réservoir d'énergie). Le fait que l'amplitude de crête de l'impulsion de tension soit réglable permet l'adaptation de la quantité d'énergie fournie au tube 18 du laser en fonction des caractéristiques particulières de ce tube 18 Les effets du vieillissement, la quantité de métal ou d'autres paramètres encore font que les tubes diffèrent les uns des autres. Le convertisseur d'un tel dispositif connu est réglé pour un laser donné et ne peut servir à l'alimentation simultanée de plusieurs. Le but de la présente invention est de a À fournir un dispositif d'alimentation dont le convertisseur peut être mis en commun pour un grand nombre de lasers. Pour cela, l'invention préconise la conversion de la tension alternative délivrée par le réseau en une tension continue d'amplitude fixe, le réglage de l'amplitude de crête de la tension impulsionnelle s'effectuant au niveau du circuit de charge du condensateur de charge. Cela permet d'une part l'augmentation du rendement électrique de conversion et d'autre part, la réduction -du coût et des volumes du dispositif d'alimentation. Dans le cas de l'utilisation d'un seul convertisseur pour un ensemble de lasers, ce dernier peut être isolé dans un local séparé et relié aux lasers par de simples liaisons coaxiales. De façon précise, la présente invention concerne un dispositif d'alimentation électrique comprenant un convertisseur d'une tension alternative en une tension continue d'amplitude fixe, et au moins un moyen pour délivrer, à partir de ladite tension continue, une tension impulsionnelle d'amplitude maximum variable. Selon un premier mode de réalisation, le moyen pour délivrer une tension impulsionnelle d'amplitude maximum variable comprend un interrupteur commandable connecté à un circuit de charge d'énergie électrique présentant une pente de charge variable et apte à décharger cette énergie à la suite de la fermeture dudit interrupteur commandable. Préférentiellement, la charge de l'énergie électrique s'effectue dans un condensateur de charge connecté en un point A à une électrode d'une diode, l'autre électrode de cette diode étant connectée à une bobine à induction variable permettant la variation de la pente de charge du circuit de charge. Selon une première variante de réalisation, ladite bobine à induction variable comporte un noyau magnétique mobile longitudinalement dans l'axe de la bobine. Selon une seconde variante de réalisation, ladite bobine à induction variable comporte deux bobinages mobiles l'un par rapport à l'autre et reliés en série de manière à présenter une inductance mutelle dépendant de leur position respective. Selon une troisième variante de réalisation, ladite bobine à induction variable comporte un noyau ferromagnétique introduit dans un bobinage, un enroulement de contrôle entourant le noyau ferromagnétique, des moyens pour faire circuler un courant dans l'enroulement de contrôle de manière à faire varier l'induction du noyau. Selon un second mode de réalisation, le moyen pour délivrer une tension impulsionnelle d'amplitude maximum variable comprend un interrupteur commandable connectée à un circuit de charge d'énergie électrique apte à décharger cette énergie à la suite de la fermeture dudit interrupteur commandable après un retard variable. Préférentiellement, dans ce dernier mode de réalisation, le circuit de charge comprend une bobine d'induction connecté à un second interrupteur commandable déclenché avec un retard variable par la commande du premier interrupteur, ce second interrupteur étant connecté en un point B à une armature d'un condensateur de charge. De manière avantageuse, le dispositif de l'invention comporte un moyen d'asservissement de l'amplitude maximum de la tension impulsionnelle à une valeur de consigne déterminée. De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux après la description qui suit donnée à titre explicatif et nullement limitatif Cette description se réfère à des dessins annexés sur lesquels: la figure 1, déjà décrite et relative à l'art antérieur, représente schématiquement un dispositif d'alimentation électrique d'un laser à vapeur métallique, la figure 2 représente schématiquement un dispositif d'alimentation électrique conforme à l'invention, les figures 3 A et 3 B représentent schématiquement une réalisation d'une bobine à induction mutuelle variable en coupe et selon l'axe AA de la coupe, la figure 4 représente schématiquement une réalisation d'une bobine à induction mutuelle variable, la figure 5 représente schématiquement une autre réalisation d'une bobine à induction variable, la figure 6 représente schématiquement différentes courbes de charge d'un dispositif d'alimentation électrique conforme à celui de la figure 2, la figure 7 représente schématiquement un dispositif d'asservissement utilisé dans un dispositif d'alimentation conforme à l'invention, la figure 8 représente schématiquement un autre mode de réalisation d'un dispositif d'alimentation électrique conforme à l'invention, la figure 9 représente schématiquement différentes courbes de charge d'un dispositif d'alimentation électrique conforme à celui de la figure 8, la figure 10 représente schématiquement un dispositif d'alimentation électrique conforme à l'invention dans le cas de l'alimentation simultanée de plusieurs lasers. La figure 2 représente schématiquement un dispositif d'alimentation électrique pour l'alimentation d'un laser à vapeur métallique Un convertisseur 40 connecté au réseau et donc alimenté par une tension alternative de 380 V triphasée délivre une haute tension continue d'amplitude fixe entre ses sorties (+) et (-) Ce convertisseur 40 comporte un transformateur-élévateur 14 ayant un rapport de transformation fixe connecté à un circuit de redressement et de filtrage 16. Dans ce mode de réalisation, la haute tension continue est transformée en tension impulsionnelle par un circuit présentant une pente de charge variable Ce circuit comporte une bobine 42 à induction variable connectée d'une part à la sortie (+) du convertisseur 40 et d'autre part à une électrode d'une diode 24. L'autre électrode de la diode 24 est connectée en un point A à une armature d'un condensateur de charge 20 L'autre armature du condensateur 20 est reliée à l'électrode 26 du tube 18 du laser. En référence aux figures 3 A et 3 B, on décrit maintenant un premier mode de réalisation d'une bobine à induction variable. Une cuve à circulation d'huile cylindrique 44 contient trois disques isolants 46, 48, 50 parallèles, percés en leur centre pour autoriser le passage d'un axe 52 isolant et creux Les disques 46 et 50 sont fixés à des couronnes 54, 56 solidaires de la cuve 44 Le disque 48 central est solidaire de l'axe 52 qui s'embolte dans un palier 58 soudé ou collé au fond de la cuve 44 A l'extérieur de la cuve 44, l'axe 52 est muni d'une couronne dentée emboîtée dans un pignon 62 solidaire de l'axe d'un moteur 64. Chaque disque 46, 48, 50 supporte quatre bobinages plats 66 disposés symétriquement par rapport à leurs centres comme on peut le voir sur la vue de face du disque 48 (figure 3 B) Chaque bobinage 66 est enroulé dans un sens inverse par rapport aux enroulements des bobinages voisins Les quatre bobinages 66 d'un disque sont connectés entre eux dans un montage en série Les bobinages 66 des disques 46 et 50 sont superposés, les bobinages se faisant face étant enroulés dans le même sens De plus, les bobinages 66 des disques 46 et 50 sont connectés en série entre eux. Les bobinages 66 du disque central 48 comportent deux fois plus d'enroulements que les bobinages 66 des disques 46, 50 Les fils d'arrivée et de sortie de courant des bobinages du disque central 48 parcourent l'axe creux 52 et sont raccordés sur des isolants placés à l'extérieur de la cuve 44. Les variations d'inductance sont obtenues en modifiant, par rotation, la position du disque central 48 L'inductance maximum est obtenue lorsque les bobinages supportés par le disque central 48 sont superposés aux bobinages des disques 46 et , les enroulements des bobinages en vis-à-vis étant dans le même sens L'inductance minimum est obtenue en faisant pivoter de 900 le disque central 48 à partir de la position d'inductance maximum. La figure 4 représente schématiquement un autre mode de réalisation d'une bobine à inductance variable La variation d'inductance est obtenue en réglant la longueur de pénétration d'un barreau magnétique 68 à l'intérieur du bobinage 70. Le barreau 68 est solidaire d'une crémaillère 72 emboîtée dans un pignon 62 placé à l'extrémité de l'axe d'un moteur 64 De cette manière, le barreau peut être entraîné en translation selon l'axe longitudinal du bobinage 70. La figure 5 représente schématiquement un autre mode de réalisation d'une bobine à inductance variable La variation d'inductance est obtenue en modifiant le coefficient d'induction d'un barreau magnétique 76 placé à l'intérieur d'un bobinage 74 et selon son axe longitudinal Un enroulement de contrôle 78 relié à des moyens 80 pour délivrer un courant entoure Le barreau magnétique 76 Le coefficient d'induction du barreau magnétique 76 et donc l'inductance de la bobine 74 dépendent de l'intensité du courant traversant l'enroulement de contrôle 78. Dans cette réalisation, le bobinage 74 comporte deux séries de spires 74 a et 74 b enroulées dans des sens différents De cette manière, on annule l'effet "transformateur" du bobinage et, par conséquent, on obtient une protection contre d'éventuelles impulsions de tension provenant de la réflexion de l'énergie délivrée au tube 18 du laser, les impédances du tube 18 et du circuit d'alimentation n'étant pas parfaitement adaptées. La figure 6 représente schématiquement différentes courbes de charge relatives à un dispositif d'alimentation électrique conforme à celui de la figure 2 Les courbes a, b, c correspondent respectivement à des inductances de 400 m H, 1000 m H et 2000 m H Dans cet exemple, la capacité du condensateur de charge 20 est de 8 n F et la fréquence de répétition des tirs au laser est de 5 k Hz (un tir toutes les 200 microsecondes). La décharge a lieu approximativement en 200 ns, ce qui revient à dire qu'à l'échelle adoptée sur La figure, La courbe de décharge est sensiblement verticale. On constate que suivant l'inductance L de la bobine d'induction 42, la pente des courbes de charge varie La tension atteinte au bout de microsecondes entre le point A et La masse est fonction de cette pente La puissance du faisceau laser est directement fonction de cette tension. Ainsi, grâce à La connaissance des caractéristiques du tube 18, celles-ci étant fournies par le constructeur, on peut régler l'inductance de la bobine 42 de manière à obtenir la puissance lumineuse dési rée. Par ailleurs, ce réglage peut être automatisé grâce à un dispositif d'asservissement référencé 21 sur la figure 2 Ce dispositif d'asservissement est décrit plus en détail ci-dessous en référence à la figure 7. La tension délivrée entre le point A et la masse est asservie à une valeur de consigne Vc déterminée par l'utilisateur Commandé par le signal Ic de déclenchement du thyratron 32, un voltmètre 210 mesure la tension appliquée entre le point A et la masse Ce voltmètre effectue une moyenne sur une centaine de mesures par exemple et délivre sur une sortie un signal indiquant La tension moyenne entre le point A et La masse Cette tension moyenne est comparée à la valeur de consigne Vc par un comparateur 212 Ce dernier délivre un signal, fonction de la comparaison, sur une entrée d'un dispositif de commande 214 apte à délivrer sur une sortie un signal de commande Sc Le signal Sc appliqué, selon la variante de réalisation retenue, sur une entrée du moteur 64 ou sur une entrée du générateur de courant 80 permet de faire varier l'inductance de la bobine 42 de manière à obtenir une tension égale à la valeur de consigne lors du déclenchement du thyratron. La figure 8 représente schématiquement un autre mode de réalisation d'un dispositif d'alimentation électrique conforme à l'invention. La variation de l'amplitude maximum de La tension impulsionnelle appliquée entre les électrodes 26, 28 du tube 18 est obtenue ici en retardant la charge du condensateur 20; ce retard intervient après la fermeture brutale du thyratron 32 sous l'effet du signal Ic, cette fermeture provoquant la décharge du condensateur 20 Cette dernière est considérée comme quasi instantanée (de l'ordre de 200 ns) par rapport à la durée de la charge. Pour obtenir un tel retard, on utilise à la place de la diode 24, un interrupteur commandable 82, un ensemble de thyristors ou un thyratron par exemple, la bobine d'induction 22 ayant une inductance fixe. De manière avantageuse, le réglage du retard est réalisé par un dispositif d'asservissement 21 identique à celui précédemment décrit Déclenché par Le signal Ic, le dispositif d'asservissement 21 mesure la tension entre le point B relié à une sortie de l'interrupteur commandable 82 et la masse. A la suite d'une comparaison entre une valeur moyenne de la tension mesurée et une valeur de consigne déterminée par l'utilisateur, le dispositif d'asservissement délivre un signal de commande Sc sur une sortie Cette dernière est connectée à une entrée d'un circuit de commande 84 qui délivre les impulsions de commande Ic pour le thyratron 32 et des impulsions de déclenchement pour la fermeture 1 1 de l'interrupteur commandable 82 Les impulsions Id sont retardées par rapport aux impulsions Ic d'une durée déterminée grâce au signal Sc. La figure 9 représente schématiquement Les courbes de charge d'un tel circuit pour une valeur du retard R égale à O microseconde (courbe d), 50 microsecondes (courbe e), 100 microsecondes (courbe f) Comme précédemment, la fréquence des tirs lasers est ici de 200 microsecondes. Pour la courbe d, l'interrupteur commandable 82 est déclenché avec 1 microseconde de retard sur le thyratron 32 L'amplitude maximum de l'impulsion de tension est de 20 k V. Avec un retard R de 50 microsecondes (courbe e), l'amplitude maximum est de 15 k V Elle est de k V avec un retard R de 100 microsecondes (courbe f). On comprend que L'amplitude maximum de la tension appliquée entre les électrodes du tube 18 et donc la puissance du faisceau laser est fonction du retard introduit entre le déclenchement du thyratron 32 et celui de l'interrupteur commandable 82. La figure 10 représente schématiquement un dispositif conforme à l'invention appliqué à l'alimentation électrique de plusieurs lasers. Un convertisseur 40 unique convertit la tension alternative du réseau en une haute tension continue délivrée entre ses sorties (+) et (-). Chacun des tubes 18 est relié à un moyen pour délivrer une tension impulsionnelle d'amplitude maximum réglable Ainsi, en fonction des caractéristiques propres à chaque tube 18, la tension impulsionnelle est rég Lée de manière à obtenir la puissance désirée pour chaque faisceau laser. Dans l'exemple représenté, sur la figure , chacun des moyens pour délivrer une tension impulsionnelle est conforme au mode de réalisation de la figure 2 Ces moyens sont tous reliés dans un montage parallèle aux sorties (+) et (-) du convertisseur 40 Chacun de ces moyens est muni d'un interrupteur 84 permettant la mise en ou hors service du tube 18 auquel ils sont connectés. Dans un dispositif conforme à l'invention, le réglage de l'amplitude maximum de la tension impulsionnelle est indépendant de la conversion de la tension alternative en une tension continue. Pour l'alimentation électrique de plusieurs lasers, un seul convertisseur est alors nécessaire. Ceci permet d'aumgenter le rendement électrique de l'ensemble de conversion et de réduire le coût et le volume de l'alimentation électrique D'autre part, le convertisseur peut être éloigné des lasers sans que cela pose de prob Lème particulier. Revendications 1 Dispositif d'alimentation électrique, caractérisé en ce qu'il comprend: un convertisseur ( 40) d'une tension alternative en une tension continue d'amplitude fixe, au moins un moyen pour délivrer, à partir de ladite tension continue, une tension impulsionnelle d'amplitude maximum réglable. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen pour délivrer une tension impulsionnelle d'amplitude maximum réglable comprend: un interrupteur commandable ( 32) connecté à un circuit de charge d'énergie électrique présentant une pente de charge variable et apte à décharger cette énergie à la suite de la fermeture dudit interrupteur commandable ( 32). 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la charge de l'énergie électrique s'effectue dans un condensateur de charge ( 20) connecté en un point A à une électrode d'une diode ( 24), l'autre électrode de cette diode ( 24) étant connectée à une bobine à induction variable ( 42) permettant la variation de la pente de charge du circuit de charge. 4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite bobine à induction variable ( 24) comporte au moins deux bobinages ( 66) mobiles l'un par rapport à l'autre et reliés en série de manière à présenter une inductance mutuelle dépendant de leur position respective. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite bobine à induction variable ( 42) comporte un noyau magnétique ( 68) mobile longitudinalement selon l'axe de la bobine. 6 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite bobine à induction variable ( 42) comporte un noyau ferromagnétique ( 76) introduit dans un bobinage ( 74), un enroulement de contrôle ( 78) entourant le noyau ferromagnétique ( 76), des moyens ( 80) pour faire circuler un courant dans l'enroulement de contrôle ( 78) de manière à faire varier l'induction du noyau. 7 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen pour déLivrer une tension impulsionnelle d'amplitude maximum variable comprend: un interrupteur commande ( 32) connecté à un circuit de charge d'énergie électrique apte à décharger cette énergie à la suite de la fermeture dudit interrupteur commandable ( 32) après un retard variable. 8 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le circuit de charge comprend une bobine d'induction ( 22) connectée à un second interrupteur commandable ( 82) déclenché avec un retard variable par la commande du premier interrupteur ( 32) commandable, ce second interrupteur ( 82) étant connecté en un point (B) à une armature d'un condensateur de charge ( 20). 9 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen d'asservissement ( 21) de l'amplitude maximum de la tension impulsionnelle à une valeur de consigne déterminée.