Brevet FR2682828A1 — publié le 19930423

La présente invention concerne un dispositif d'alimentation en énergie électrique d'un ozoneur. Les ozoneurs industriels connus actuellement sont de type tubulaire et comportent deux électrodes, l'une en verre de qualité électronique sur laquelle est appliquée une tension élevée et l'autre en inox, reliée à la terre. Ces deux électrodes sont séparées par un espace de décharge dans lequel circule de l'oxygène ou de l'air sec contenant des molécules d'oxygène. Si on applique aux bornes de ces électrodes une tension suffisamment élevée pour atteindre le point disruptif de l'air, il apparaît, par effet Coronna, une effluve entre celles-ci Cette effluve ionise l'oxygène dans l'espace de décharge et forme ainsi un gaz composé principalement d'ozone dont la concentration varie en fonction de la puissance appliquée. Il existe dans l'état de la technique, deux types différents de dispositifs d'alimentation de ces ozoneurs. Les premiers comportent des moyens permettant d'alimenter l'ozoneur à partir du réseau d'alimentation en connectant un transformateur élévateur de tension sur celui-ci. Le réglage de la puissance est obtenu par un régulateur à induction Il est également possible d'utili- ser un système électronique tel qu'un gradateur, interposé entre le réseau et le transformateur. Cependant, l'ozoneur étant une charge très capacitive, il est important de compenser l'énergie réactive engendrée en prévoyant deux compensations, l'une série, constituée par exemple par une inductance à noyau et l'autre parallèle, constituée par exemple par l'entre- fer du transformateur, pour compenser l'énergie réactive capacitive de l'ozoneur et obtenir une charge inductive. Cette compensation est indispensable pour pouvoir débloquer correctement le gradateur et donc obtenir un facteur de puissance correct. Les seconds dispositifs d'alimentation compor- tent des convertisseurs de puissance permettant d'augmen- ter la fréquence d'alimentation de l'ozoneur à peu près à 400 Hz et d'améliorer la production d'ozone. Ces convertisseurs sont constitués par des onduleurs de type série ou parallèle, sur lesquels est connectée soit une charge résonnante de type LC, en général peu maniable et très coûteuse, soit une charge non résonnante, non compensée et à commutation forcée, beau- coup moins coûteuse que les charges LC mais présentant un facteur de puissance déplorable. Dans les deux types de dispositifs décrits précédemment, il est indispensable de mettre en oeuvre une technique bien particulière de réglage de l'ensemble et notamment pour accorder le transformateur haute tension afin d'obtenir les meilleures conditions de fonctionne- ment. Il est également très important de maîtriser la technologie des interrupteurs de puissance tels que des thyristors qui sont mis à rude épreuve à cause des temps de commutation très rapides, des valeurs importantes de DI/DT et de DV/DT et des surtensions inverses très élevées occasionnées par le fait que l'ozoneur est une charge non linéaire. Par ailleurs, ces systèmes présentent également le désavantage de nécessiter des moyens de démarrage compliquant les séquences de fonctionnement de l'ensemble. Ceci aboutit à des dispositifs relativement complexes, d'un prix de revient élevé et dont le fonction- nement n'est pas optimisé. Le but de l'invention est donc de résoudre ces problèmes en proposant un dispositif d'alimentation qui soit simple, fiable, d'un prix de revient peu élevé et qui permette de faire fonctionner l'ozoneur dans des condi- tions optimales. A cet effet, l'invention a pour objet un dispo- sitif d'alimentation en énergie électrique d'un ozoneur, caractérisé en ce qu'il comporte une source d'alimentation en courant continu, aux bornes de laquelle est connecté un premier circuit résonnant, relié à travers au moins un organe commutateur à semi-conducteur piloté par des moyens de déclenchement, à un second circuit résonnant dans lequel est intégré un transformateur d'alimentation de l'ozoneur. Avantageusement, le premier circuit résonnant est un circuit résonnant série d'injection de courant comportant un condensateur de stockage d'énergie connecté en parallèle aux bornes de la source d'alimentation et une inductance d'injection dont une borne est reliée à une borne du condensateur et dont une autre borne est reliée à une borne du second circuit résonnant, dont l'autre borne est reliée à l'autre borne du condensateur. Avantageusement également, le second circuit résonnant est un circuit résonnant parallèle comportant une inductance en parallèle sur l'enroulement primaire du transformateur, l'ozoneur étant relié à l'enroulement secondaire de celui-ci. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: la Fig 1 représente un schéma synoptique d'un dispositif d'alimentation selon l'invention; la Fig 2 représente un schéma synoptique de moyens de déclenchement d'un organe commutateur à semi- conducteur piloté, entrant dans la constitution d'un dispositif selon l'invention; et les Fig 3,4 et 5 représentent des courbes illustrant différentes phases de fonctionnement du dispo- sitif selon l'invention. Ainsi qu'on peut le voir sur la Fig 1, un dispositif d'alimentation en énergie électrique selon l'invention, permet d'alimenter un ozoneur désigné par la référence générale 1 sur cette figure, à partir d'une source d'alimentation en courant continu désignée par la référence générale 2. Cette source d'alimentation en courant continu comporte de manière classique un pont redresseur du type pont de Graetz, à thyristors, désigné par la référence générale 3 et une inductance de lissage 4. Un premier circuit résonnant 5 est connecté aux bornes de cette source d'énergie et est relié à travers au moins un organe commutateur à semi-conducteur 6 piloté par des moyens de déclenchement qui seront décrits plus en détail par la suite, à un second circuit résonnant 7 dans lequel est intégré un transformateur 8 d'alimentation de l'ozoneur. Avantageusement, le premier circuit résonnant est un circuit résonnant série d'injection de courant comportant un condensateur de stockage d'énergie 9 connec- té en parallèle aux bornes de la source d'alimentation et une inductance d'injection 10 dont une borne est reliée à une borne du condensateur et dont l'autre borne est reliée à une borne du second circuit résonnant 7 L'autre borne de ce second circuit résonnant est reliée à l'autre borne du condensateur Ce second circuit résonnant est avanta- geusement un circuit résonnant parallèle comportant une inductance 11 en parallèle sur l'enroulement primaire 12 du transformateur 8. L'ozoneur 1 est connecté aux bornes de l'enrou- lement secondaire 13 de ce transformateur. L'inductance de fuite du transformateur est schématisée par l'élément désigné par la référence 14 sur cette figure. Dans ce circuit résonnant parallèle, l'élément capacitif est composé par l'ozoneur lui-même. La fréquence de résonance du circuit série est fixée à peu près au double de la fréquence de résonance du circuit parallèle pour permettre une optimisation du fonctionnement de l'ensemble comme cela sera décrit plus en détail par la suite. Par ailleurs, l'organe commutateur à semi- conducteur piloté, désigné par la référence 6, comprend par exemple au moins un thyristor dont la commande sera décrite plus en détail par la suite. La charge étant déterminée pour osciller avec un amortissement faible, on débloque le thyristor de façon qu'il y ait un apport d'énergie active du circuit série au circuit parallèle. Un mode de réalisation des moyens de déclenche- ment de l'organe commutateur à semi-conducteur piloté est représenté sur la Fig 2. On reconnait sur cette figure, le condensateur de stockage d'énergie 9, le thyristor 6, l'inductance d'injection 10 et le transformateur d'alimentation de l'ozoneur 8. Les moyens de déclenchement du thyristor com- prennent avantageusement des moyens de génération d'un créneau de démarrage de celui-ci, activés par exemple par un utilisateur, lors du déclenchement du fonctionnement de ce dispositif d'alimentation. Ces moyens comprennent par exemple une bascule délivrant un signal en créneau à la détection d'un front montant par exemple d'un signal d'horloge. La sortie de cette bascule est reliée à une porte OU 16 dont la sortie est reliée à une chaîne de génération d'une salve d'impulsions de pilotage du thyris- tor 6, cette chaîne comportant les éléments désignés par les références 17,18,19 et 20 sur cette figure et compor- tant respectivement des moyens de mise en forme de la sortie de la porte OU 16, une autre porte OU 18, un générateur de salve d'impulsions 19 et un amplificateur 20 dont la sortie est connectée à la grille du thyristor 6. Les moyens de déclenchement comprennent égale- ment des moyens 21 de mesure d'une valeur représentative de la tension aux bornes du transformateur. Ces moyens comprennent par exemple un convertis- seur de tension 22 aux bornes duquel est connecté un pont diviseur constitué de deux résistances 23 et 24. On notera que le convertisseur de tension peut par exemple être constitué par un transformateur d'isole- ment. La sortie de ce pont diviseur est reliée à des moyens 25 de détection du passage de cette tension à zéro pour commander des moyens de génération d'une salve d'impulsions afin de redéclencher le thyristor à chaque passage par zéro de cette tension. Dans le mode de réalisation représenté, ces moyens sont constitués par la chaine décrite précédemment et déjà utilisée lors du démarrage du thyristor. Ces moyens de déclenchement comprennent égale- ment, connectés à la sortie des moyens de mesure de la tension aux bornes du transformateur, des moyens 26 de comparaison de cette tension à une valeur seuil + V représentative d'une valeur de tension au-dessous de laquelle l'ozoneur ne produit plus d'ozone, comme cela sera décrit plus en détail par la suite, pour commander les moyens de génération d'une salve d'impulsions afin de déclencher un redémarrage de celui-ci. La sortie de ces moyens de comparaison 26 est en effet reliée à une bascule 27 de pilotage des moyens de génération du créneau de démarrage 16,17 décrits précédem- ment, à travers la porte OU 16 et une autre porte OU 28 d'inhibition des moyens de détection du passage par zéro de la tension aux bornes du transformateur. On conçoit donc que dans une première phase de fonctionnement, le condensateur de stockage d'énergie 9 se charge à travers l'inductance de lissage 4. Le thyristor est ensuite déclencher par pilotage de la bascule 15 et génération d'un créneau de démarrage de ce thyristor pour raccorder le circuit série d'injec- tion de courant au circuit parallèle. Ensuite, le thyristor est redéclenché à chaque passage par zéro de la tension aux bornes de la charge et la variation de puissance est obtenue par contrôle de l'amorçage des thyristors du pont redresseur 3 de la source d'alimentation, pour régler le niveau de charge du condensateur de stockage d'énergie. Le signal théorique de tension obtenu aux bornes du transformateur est représenté sur la Fig 3. L'utilisation d'un seul organe commutateur à semi-conducteur engendre une onde de tension qui génère de l'ozone uniquement sur la partie positive du signal et lorsque la tension appliquée est supérieure à EO corres- pondant à la valeur disruptive de l'air. Cependant, la tension moyenne aux bornes du transformateur d'alimentation de l'ozoneur n'est pas nulle, ce qui engendre un élément résistif dans le circuit résonnant parallèle Il apparaît donc qu'un phénomène d'amortissement du signal de tension est appliqué aux bornes de la charge comme on peut le voir sur la Fig 4. Pour résoudre ce problème, on utilise le fait que la tension appliquée est à un moment ou à un autre inférieure à la tension disruptive de l'air, c'est à dire inférieure à la tension au-dessous de laquelle l'ozoneur produit de l'ozone, pour réaliser une remise à zéro de l'ensemble et réaliser un nouveau démarrage de celui-ci par génération d'un nouveau créneau de démarrage à l'aide de la bascule 27. On voit en effet sur la Fig 3, que le générateur d'ozone n'engendre d'ozone que si la tension qui lui est appliquée est supérieure à la valeur EO correspondant à la valeur de tension du point disruptif de l'air. Ainsi qu'on l'a indiqué précédemment, le démar- rage du dispositif se fait par génération d'un créneau de démarrage à la suite de la détection d'un front montant par exemple d'une horloge, par la bascule 15. Durant cette phase de démarrage, les moyens de détection du passage à zéro de la tension aux bornes du transformateur désignés par la référence 25 sur la figure 2, sont inhibés, de même que les moyens de comparaison 26 et la bascule 27 L'ordre de démarrage engendre un premier créneau de démarrage qui est mis en forme dans la chaîne de génération de salve décrite précédemment et se traduit par la génération d'une salve d'impulsions assurant la fermeture du thyristor et permettant de débloquer les moyens de détection de passage à zéro de la tension aux bornes du transformateur et les moyens de comparaison. Ceux-ci prennent alors le relais des moyens de génération du créneau de démarrage et assurent la commuta- tion du thyristor par l'oscillation engendrée dans le circuit parallèle à travers le transformateur d'isolement 22 et le pont diviseur 23,24. Du fait de l'amortissement de la tension aux bornes du transformateur, les moyens de comparaison détectent le passage de la tension au- dessous du point disruptif de l'air, EO, et réinitialisent le dispositif en déclenchant une nouvelle phase de démarrage de celui-ci par pilotage des moyens de génération d'un créneau de démarrage du thyristor. On conçoit que tant que la tension appliquée aux bornes de la charge est supérieure à la valeur de tension au-dessous de laquelle l'ozoneur ne produit plus d'ozone, le déclenchement du thyristor est assuré par les moyens de détection de passage à zéro de la tension aux bornes du transformateur et que lorsque cette tension est inférieure à ce point disruptif, les moyens de comparaison et la bascule associée déclenchent un redémarrage de l'ensemble, ce qui permet de réinitialiser le dispositif. Pour arrêter le dispositif, il suffit d'inhiber les moyens de détection du passage par zéro de la tension aux bornes du transformateur, pour qu'il n'y ait plus de déclenchement du thyristor Cette inhibition est par exemple commandée par l'utilisateur. La Fig 5 illustre le signal de tension obtenu aux bornes de la charge. Le démarrage et l'arrêt du dispositif sont commandés par exemple par l'utilisateur grâce à des interrupteurs de démarrage et d'arrêt de type connu en soi, reliés à la bascule de démarrage 15 et aux moyens 25 de détection de passage à zéro de la tension aux bornes du transformateur. Bien que sur la Fig 1, on ait représenté l'in- ductance d'injection raccordée à la borne du condensateur reliée à la borne positive de la source d'alimentation, celle-ci peut également être raccordée à la borne de celui-ci reliée à la borne négative de la source d'alimen- tation. Sur cette figure, l'organe commutateur à semi- conducteur piloté est connecté en série avec l'inductance d'injection dans une branche de liaison des circuits résonnant série et parallèle. Il va de soi que l'inductance et cet organe commutateur à semi- conducteur peuvent être prévus chacun dans l'une des branches de liaison du circuit série au circuit parallèle. Enfin, on notera que la fréquence de résonance du circuit résonnant parallèle peut être fixé à peu près à 400 Hz, tandis que celle du circuit résonnant série peut être fixé à peu près à 800 Hz, ce qui permet d'obtenir un fonctionnement optimal de l'ozoneur. il REVENDICATIONS 1 Dispositif d'alimentation en énergie électri- que d'un ozoneur, caractérisé en ce qu'il comporte une source d'alimentation en courant continu ( 2), aux bornes de laquelle est connecté un premier circuit résonnant ( 5), relié à travers au moins un organe commutateur à semi- conducteur ( 6) piloté par des moyens de déclenchement, à un second circuit résonnant ( 7) dans lequel est intégré un transformateur ( 8) d'alimentation de l'ozoneur ( 1). 2 Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le premier circuit résonnant ( 5) est un circuit résonnant série d'injection de courant comportant un condensateur ( 9) de stockage d'énergie, connecté en parallèle aux bornes de la source d'alimentation ( 2) et une inductance d'injection ( 10) dont une borne est reliée à une borne du condensateur et dont l'autre borne est reliée à une borne du second circuit résonnant ( 7), dont l'autre borne est reliée à l'autre borne du condensateur ( 9). 3 Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le second circuit résonnant ( 7) est un circuit résonnant parallèle comportant une inductance ( 11) en parallèle sur l'enroulement primaire ( 12) du transformateur ( 8), l'ozoneur ( 1) étant relié à l'enroule- ment secondaire ( 13) de celui-ci. 4 Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que la fréquence de résonance du circuit série est à peu près égale au double de la fréquence de résonance du circuit parallèle. 5 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit organe commutateur à semi-conducteur piloté comprend au moins un thyristor ( 6). 6 Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de déclenchement comprennent des moyens ( 15,16,17) de généra- tion d'un créneau de démarrage de l'organe commutateur à semi- conducteur piloté, et des moyens ( 21) de mesure d'une valeur représentative de la tension aux bornes du trans- formateur, dont la sortie est reliée à des moyens ( 25) de détection du passage de cette tension à zéro, pour comman- der des moyens ( 18,19,20) de génération d'impulsions de déclenchement de l'organe commutateur à semi-conducteur piloté, lors du démarrage du dispositif et à chaque passage par zéro de cette tension. 7 Dispositif selon la revendication 6, caracté- risé en ce que les moyens de déclenchement comprennent en outre, connectés à la sortie des moyens ( 21) de mesure de la tension aux bornes du transformateur, des moyens ( 26) de comparaison de cette tension à une valeur de tension au-dessous de laquelle l'ozoneur ne produit plus d'ozone, pour commander les moyens de génération ( 16,17,18, 19,20) des impulsions de déclenchement du thyristor afin de déclencher un redémarrage de celui-ci. 8 Dispositif selon la revendication 7, caracté- risé en ce que les moyens de déclenchement comprennent des moyens de démarrage du dispositif par pilotage des moyens de génération ( 15) du créneau de démarrage et des moyens de coupure du dispositif par inhibition des moyens ( 25) de détection du passage par zéro de la tension aux bornes du transformateur. 9 Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que l'inductance d'injection ( 10) est raccordée à une borne du condensa- teur, reliée à la borne positive de la source d'alimenta- tion. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'inductance d'injection ( 10) est raccordée à une borne du condensa- teur, reliée à la borne négative de la source d'alimenta- tion. 11 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'organe commutateur à semi-conducteur piloté est connecté en série avec l'inductance d'injection ( 10) dans une branche de liaison du circuit série au circuit parallèle. 12 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'inductance d'injection ( 10) est connectée dans la branche de liaison du circuit série au circuit parallèle autre que celle dans laquelle est connectée l'organe commutateur à semi-conduc- teur piloté. 13 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fréquence de résonance du circuit résonnant parallèle est à peu près égale à 400 Hz, tandis que celle du circuit résonnant série est à peu près égale à 800 Hz.