Brevet FR2682830A1 — publié le 19930423

DISPOSITIF DE CHARGEMENT ELECTRIQUE D'UN BANC CAPACITIF La présente invention a pour objet un dispositif de chargement électrique d'un banc capacitif particulièrement utilisable dans le domaine médical pour alimenter un mobile radiologique. Les mobiles radiologiques sont essentiellement des sources de rayons X déplaçables sur le sol au moyen d'un chariot. Ces sources de rayons X sont constituées par des tubes à rayons X. Pour de tel tubes il faut disposer entre autres d'une haute tension électrique fournie par un générateur au moment de l'émission. Un mobile radiologique doit être utilisable à la demande n'importe où. Ceci entraîne qu'une alimentation électrique d'un tel mobile est, normalement, une alimentation avec liaison au secteur électrique monophasé. Le mobile radiologique est ainsi amené dans une chambre où un patient souvent grabataire ou intransportable doit subir un examen radiographique. Là, il est branché sur une prise électrique disponible sur un des murs de la chambre. Dès que cette connexion est faite, on met en charge un banc capacitif de manière à stocker une forte énergie électrique. Au moment où on effectue la prise d'un cliché radiographique, on utilise la tension délivrée par le banc capacitif pour alimenter en haute tension le tube à rayons X. Dans la pratique, on sait ainsi disposer, sous 80 KV, d'environ 50 mAs ce qui permet de faire un cliché dans de bonnes conditions. En effet, cette énergie correspond à environ 8500 joules prélevés sur le secteur et compte-tenu de la très courte durée de la prise de cliché (300ms), il serait impensable de vouloir soutirer l'énergie électrique à partir du réseau monophasé. De fait, les prises de courant généralement disponibles dans les chambres sont des prises de courant de type domestique. Leur puissance disponible est en général limitée à 6 kilowatts alors qu'il faut au minimum 20 kilowatts pour faire fonctionner les générateurs de rayons X. En quelque sorte le banc capacitif sert alors de ballast d'énergie. L'énergie stockée sous la tension nominale du banc est transformée au moyen d'un convertisseur, pendant la durée du cliché lui-même, en une haute tension d'alimentation. Lorsque le cliché est terminé, dans les cas les plus exigeants, il arrive que la tension aux bornes du banc capacitif est réduite des trois quarts : il ne reste plus que 10 à 15% d'énergie dans le banc capacitif. Avant de pouvoir procéder à la prise d'un autre cliché on recharge donc le banc capacitif. Cette recharge est relativement lente. Elle dure par exemple 30 secondes. L'équipement nécessaire pour réaliser ces fonctions comporte donc un cordon relié d'une part sur le secteur monophasé et d'autre part au primaire d'un transformateur élévateur de tension. Le secondaire du transformateur est relié à un redresseur qui débite dans le banc capacitif. Sur le plan pratique on peut assimiler celui-ci à un condensateur unique. La tension délivrée par ce condensateur alimente elle-même un convertisseur qui transforme la haute tension continue stockée en une très haute tension d'attaque du tube à rayons X. Le problème essentiel qui se présente est donc celui de la charge du condensateur au moment où l'on branche l'alimentation sur le secteur, ou mieux, au moment où on commute cette alimentation sur le primaire du transformateur. En effet, le condensateur étant à ce moment déchargé, il se comporte vis à vis du redresseur comme un véritable court-circuit. En conséquence, le courant d'appel est très grand. Compte-tenu de ce que l'énergie chargée (8500 joules par exemple) est grande, la durée pendant laquelle le courant électrique est très important est elle-même grande. On estime en effet que pendant les 15 premières secondes, si on n'y prend pas garde, le courant électrique sera prohibitif à un point tel même qu'il est susceptible de faire claquer le condensateur. Si ce n'est pas le cas on risque tout simplement, avec l'appel de courant, de faire disjoncter l'installation électrique d'alimentation. I1 est déjà connu dans l'état de la technique de résoudre ces problèmes en mettant, en série entre le redresseur et la borne de charge du condensateur une impédance : en général une résistance. L'inconvénient présenté par cette résistance est qu'elle est dissipative et qu'elle engendre un échauffement inutile de l'appareil. Par ailleurs la consommation électrique du mobile est exagérée par rapport aux besoins. Dans une autre solution il est connu de remplacer la résistance par une inductance. Mais cette solution présente des inconvénients du fait que les inductances sont des composants chers et, par ailleurs, pour que celle-ci soit efficace elle est en général encombrante. L'invention a pour objet de remédier aux inconvénients cités en proposant une architecture de l'alimentation du banc capacitif différente. Premièrement, dans son principe on met en place un circuit logique qui va agir, d'une manière synchrone avec la fréquence d'alimentation du secteur électrique, pour ne laisser passer qu'un nombre limité d'alternances de charge. De cette manière on réduit temporellement la durée de conduction du circuit afin de réduire en moyenne, au moins au démarrage, le courant de charge. De plus, pour éviter de devoir ajouter une inductance on décide de réduire le rendement du transformateur. Ce rendement n'est plus de un. I1 est inférieur. I1 est par exemple de 85%. On utilise ainsi un transformateur à fuites. La fuite magnétique joue un rôle similaire à celui de l'impédance rajoutée dans le circuit, mais par contre, elle permet de gagner de la place, de réduire le coût et de mieux maîtriser la régulation. L'invention a donc pour objet un dispositif de chargement électrique d'un banc capacitif d'un mobile radiologique, ce dispositif comportant un transformateur relié par son primaire au secteur électrique monophasé, un redresseur connecté au secondaire du transformateur, au moins un condensateur délivrant, quand ils est chargé, une haute tension correspondant à une charge électrique accumulée, caractérisé en ce qu'il comporte un relais statique synchrone interposé entre ce secteur et ce condensateur pour que ce transformateur ne délivre une charge électrique au condensateur qu'au rythme d'un pilotage de ce relais, et un circuit de pilotage du relais assurant par ailleurs une fonction de régulation. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci ne sont données qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures montrent - figure 1 : une représentation schématique du dispositif de chargement selon l'invention - figures 2a à 2e : des diagrammes temporels de signaux électriques mis en oeuvre dans un circuit de l'invention. La figure 1 montre un dispositif de chargement électrique d'un banc capacitif d'un mobile radiologique. Ce dispositif comporte un transformateur 1 dont le primaire 2 est relié au secteur électrique monophasé 3. Un redresseur 4 est connecté sur les bornes du secondaire 5 du transformateur 1 d'une part, et est relié à un banc capacitif 6 comportant ici un ensemble de condensateurs en parallèle et en série. Les condensateurs comportent deux groupes de condensateurs montés en parallèles, les groupes 7 et 8. Dans un exemple, chaque groupe comporte six condensateurs au papier dont la capacité de chacun est de 11000 microfarads. Chaque groupe a donc une capacité égale à 66 millifarads. Les deux groupes de condensateurs en parallèle sont mis en série l'un avec l'autre de telle façon que les bornes 9 et 10 de cet ensemble présentent une capacité entre elles de 33 millifarads. Mettre les condensateurs en série revient à pouvoir utiliser des condensateurs dont la tension nominale peut être de moitié par rapport à la tension d'utilisation Vcapa qu'ils devraient avoir si chacun d'eux était connecté en parallèle sur la sortie. Dans un exemple, la tension disponible entre les bornes 9 et 10 vaut 720 volts, les condensateurs étant des condensateurs de tension nominale 360 volts. Ce montage doit bien entendu être adapté si la valeur de l'énergie stockable doit être différente. Dans un exemple, le redresseur 4 est un pont de diodes de type Graetz. Aux bornes 9 et 10 du banc capacitif est relié un convertisseur tension-tension 11 qui alimente un tube à rayons X 12 en très haute tension. Une des caractéristiques essentielle de l'invention concerne le fait que ce banc capacitif est alimenté par l'intermédiaire d'un relais statique synchrone 13 piloté par un circuit de pilotage 14 assurant par ailleurs une fonction de régulation de la tension de charge du banc capacitif. Le relais statique 13 comporte essentiellement un triac constitué de deux thyristors 15 et 16 montés tête-bêche et déclenché en opposition de phase. Les conditions de commutation du relais statique 13 sont les suivantes : il est amorcé au moment du passage à zéro de la tension secteur aux bornes du module de puissance (Le secondaire du transformateur). I1 est par ailleurs bloqué au moment du passage à zéro du courant direct dans le module de puissance. Selon une autre caractéristique importante de l'invention le transformateur 1 est un transformateur à fuites magnétiques dit encore transformateur à fer saturé. I1 comporte essentiellement un enroulement secondaire 17 constituant, avec un condensateur 18, un circuit résonnant de ce transformateur. En conséquence le cosX de ce transformateur n'est pas égal à 1. Dans la pratique il est sensiblement égal à 0,7. Ceci explique que les conditions de blocage du relais statique synchrone ne sont pas celles habituelles. Le rôle de 11 enroulement de fuite 17 est similaire à celui d'une inductance qui aurait été rajoutée en série entre une des sorties du redresseur 4 et une des bornes 9, ou 10, du banc capacitif. Un des avantages particulier supplémentaire lié à l'utilisation d'un transformateur à fuites magnétiques est le suivant. On s'aperçoit que si la tension au primaire varie dans des proportions notables, par exemple de l'ordre de 10%, la tension secondaire, elle, ne varie que de 1%. Ceci est tout à fait favorable à l'utilisation de condensateurs à la limite de leur tension nominale de claquage, sans avoir à craindre au moment d'une surtension le claquage de ces condensateurs. En définitive, pour une utilisation donnée les condensateurs sont ainsi moins chers. Le circuit de régulation comporte un pont diviseur de résistance 20, 21 connecté par exemple entre les sorties 9 et 10 du banc capacitif. Il peut autrement être connecté entre une des sorties de ce banc et le point milieu de ce banc. Le point milieu des groupes 7 et 8 de condensateurs est lui-même connecté au point milieu du secondaire 5 du transformateur 1. La tension prélevée sur le pont diviseur de résistance 20-21 est appliquée par l'intermédiaire d'une résistance 22 sur l'entrée d'un amplificateur à grand gain 23. Une tension de consigne Vc est appliquée par l'intermédiaire d'une résistance 24 également sur l'entrée de l'amplificateur 23. La sortie de l'amplificateur 23 est rebouclée par une résistance 25 sur son entrée. Les résistances 22 et 24 sont sensiblement égales entre elles et 500 fois plus faibles que la résistance 25. La tension acheminée par la résistance 22 correspond à la tension disponible entre les bornes 9 et 10. Ce circuit permet de comparer la tension du banc à la tension Vc. Tel qu'il est monté le circuit 22-25 constitue un comparateur à hystérésis. Son fonctionnement sera expliqué plus loin. Lorsque la tension mesurée par le pont 20-21 devient inférieure à la tension Vc, le comparateur bascule et délivre un signal appliqué à un circuit monostable 26. Le signal délivré en réponse par le monostable 26 est transmis comme signal de commande au circuit pilote 14. L'intérêt d'utiliser un circuit monostable 26 est lié au fait qu'on veut éviter des oscillations sur les sorties 9 et 10. En effet des mises en service trop fréquentes échauffent anormalement le transformateur 1, parce qu'elles provoquent des surintensités de démarrage de ce transformateur. Le transformateur chauffe parce qu'il passe mal le courant d'appel de stockage d'énergie dans ce transformateur après un arrêt de conduction de ce transformateur. Dans la pratique, la durée de forçage imposée par le monostable 26 est de l'ordre d'une centaine de millisecondes. Le signal produit par le monostable 26 est transmis à une porte OU 27 qui reçoit par ailleurs le signal délivré par le comparateur. Le signal sortant de la porte OU 27 est introduit sur une porte ET 28 qui reçoit sur une autre entrée des signaux logiques de sécurité du système. Lorsque les autres dispositifs de sécurité sont en ordre de marche, ces autres signaux logiques sont à 1. I1 en résulte que le signal délivré par le comparateur 23 est transmis comme un signal de commande au circuit pilote 14. De manière à se synchroniser le circuit pilote reçoit également un signal synchrone de l'alimentation électrique. Sur la figure 2a, on voit que la tension Vcapa oscille entre un seuil bas Sb et un seuil haut Sh. Ces deux seuils sont produits par le comparateur à hystérésis 23-25. Lorsque la tension Vcapa devient inférieure au seuil bas le comparateur bascule et le circuit pilote 14 provoque la fermeture du relais statique 13. Le transformateur 1 est alors alimenté. Dans ce cas, le redresseur 4 charge le banc capacitif 6. De ce fait, la tension Vcapa remonte. Quand la tension Vcapa atteint le seuil haut Sh le comparateur 23 bascule à nouveau et la charge s'arrête. Puis le banc se décharge lentement, d'autant plus lentement que les condensateurs ne sont pas des condensateurs à fuite et qu'ils sont de bonne qualité. Lorsque cette décharge atteint la valeur du seuil bas un nouveau cycle de charge électrique est entrepris. Les ordres de commande du circuit pilote sont donc des ordres représentés figure 2b correspondant à la charge. On a représenté, figure 2c, le déclenchement du monostable 26. Dans la pratique, la durée de maintien de ce monostable 26 est calculée pour être inférieure au temps qu'il faut normalement pour recharger le banc capacitif afin que sa tension remonte de la valeur Sb à la valeur Sh. La figure 2d montre la tension fournie par le secteur électrique 3. Il n'y a aucune raison pour que l'instant tl auquel on décide de déclencher le relais 13 corresponde à une condition d'amorçage de ce relais telle qu'elle est décrite précédemment. En conséquence, l'amorçage proprement dit se fait à l'instant t2 où la tension du secteur change de phase et où, à l'origine le courant de charge (nul) est encore en phase avec la tension. I1 en va de même, pour la date t3 de franchissement par la tension Vcapa de la valeur de seuil haut Sh que pour la date tl. La coupure se produit alors à un instant t4 postérieur à cet instant t3. Dans la pratique, les valeurs de seuil haut et bas présentent un écart de 1,5 pour mille soit, dans un exemple de 2 Volts, par rapport à une valeur moyenne Sm. Dans un exemple, cette valeur moyenne Sm vaut 712 volts plus ou moins 1 % de sorte qu'avec un écart de 1%, on ne dépasse pas la valeur de 720 volts nominale. On a ainsi pu mesurer que si on n'avait pas utilisé cette technique de régulation avec relais statique synchrone il aurait été nécessaire d'utiliser dix huit condensateurs au lieu de douze pour garantir un stockage de 8500 joules dans toutes les conditions de secteur pour la charge du banc capacitif. On a aussi pu remarquer que, si on n'utilise pas un comparateur à hystérésis mais seulement un circuit monostable, on a quand même une ondulation limitée en valeur relative de la tension du banc capacitif. Mais l'inconvénient présenté par cette solution est que cette ondulation n'est pas reproductible. Dans un cas, elle peut être inférieure à 2 V, dans un autre cas supérieure à 2 V. En utilisant le comparateur à hystérésis on est sûr d'avoir toujours 2 V ce qui en soit est un bon résultat car cela permet de choisir au mieux les condensateurs. Dans la pratique, la durée de la charge en attente (sans consommation par le tube X) est équivalente à environ cinq périodes d'un signal de secteur à 50 hertz, soit environ 200 millisecondes. Elle est ainsi du double de la durée de maintien du monostable 26 (100 ms). Donc l'invention consiste essentiellement à résoudre, avec le relais statique synchrone des problèmes de limitation et de reproductibilité de la modulation de la haute tension appliquée sur le banc capacitif. Avec le transformateur à fuite, on cherche à limiter les courants d'appel de la charge du banc capacitif lorsqu'il a été déchargé complètement, ou presque. L'action du relais 13 et du transformateur 1 se combinent par ailleurs bien pour obtenir une régulation automatique en cas de variation de la tension secteur REVENDICATIONS 1 - Dispositif de chargement électrique d'un banc capacitif d'un mobile radiologique, ce dispositif comportant un transformateur relié par son primaire au secteur électrique monophasé, un redresseur connecté au secondaire du transformateur, au moins un condensateur délivrant, quand il est chargé, une haute tension correspondant à une charge électrique accumulée, caractérisé en ce qu'il comporte un relais statique synchrone interposé entre ce secteur et ce condensateur pour que ce transformateur ne délivre une charge électrique au condensateur qu'au rythme d'un pilotage de ce relais, et un circuit de pilotage du relais assurant par ailleurs une fonction de régulation. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un transformateur à fuite magnétique. 3 - Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux condensateurs en série reliés par leur point milieu à un point milieu du transformateur à fuite. 4 - Dispositif selon la revendication 1 à 3, caractérisé en ce que le circuit de pilotage comporte un circuit monostable pour imposer la fermeture du relais pendant une durée minimum égale à la durée de basculement de ce circuit monostable. 5 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le circuit de pilotage comporte un comparateur à hystérésis comparant une tension correspondant à l'état de charge du condensateur à deux tensions de référence, respectivement basse et haute, pour forcer la fermeture du relais quand la tension de charge du condensateur devient inférieure à la tension de référence basse et ouvrir le relais quand la tension de charge du condensateur devient supérieure à la tension de référence haute. 6 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le comparateur à hystérésis autorise une modulation de 1,5 pour mille de la valeur correspondant à la moyenne des références basse et haute.