Brevet FR2704699A1 — publié le 19941104

"Procédé et dispositif d'élaboration de haute tension, notamment pour l'application électrostatique de produit de revêtement" L'invention concerne un procédé et un dispositif d'élaboration de haute tension, notamment pour l'application électrostatique de produit de revêtement, en particulier dans une installation de projection d'un tel produit liquide ou pulvérulent. Dans de telles installations, qui peuvent être manuelles ou automatiques, une électrode portée à la haute tension doit être alimentée électriquement pour créer un champ électrostatique entre le pulvérisateur et l'objet à revêtir. La tension fournie à l'électrode est de l'ordre de plusieurs dizaines de kilovolts, voire plusieurs centaines de kilovolts. Pour alimenter une électrode à partir du secteur, ou de toute autre source de tension classique telle qu'une batterie d'accumulateurs, il est donc nécessaire d'augmenter sensiblement la tension disponible. Le courant est généralement limité à quelques milliampères pour raison de sécurité et pour limiter la puissance électrique consommée par l'électrode. Une contrainte essentielle des installations de revêtement par voie électrostatique réside dans le fait que le pulvérisateur est mobile et situé en un lieu peu accessible et de faible volume, dans le cas d'une installation automatique, ou bien porté à bout de bras par un opérateur dans le cas d'une installation manuelle. Il est donc important que ce pulvérisateur soit léger et de faible encombrement. Pour augmenter la manoeuvrabilité du pulvérisateur, l'électrode est le plus souvent alimentée par deux sous-systèmes, l'un situé à poste fixe à proximité de l'installation et habituellement dénommé "unité basse tension", l'autre situé au contact du pulvérisateur et qui sera ici dénommé "redresseur-élévateur de tension". Les deux unités sont connectées entre elles par un toron de câbles conducteurs souples. Si elle doit être suffisante pour permettre à l'électrode de remplir son rôle, la puissance fournie par l'unité basse tension au redresseur-élévateur de tension ne doit pas être trop importante sous peine de détériorer les composants de l'unité basse tension ou du redresseurélévateur de tension par un échauffement destructif, ni élever trop sensiblement la température du toron de câbles électriques reliant l'unité basse tension au redresseurélévateur de tension. A tension de sortie du redresseurélévateur de tension donnée, la puissance transmise est optimale lorsque la fréquence du courant transitant entre l'unité basse tension et le redresseur-élévateur de tension est égale à la fréquence propre du redresseur-élévateur de tension. I1 existe deux types d'alimentation en haute tension du redresseur-élévateur de tension: - les systèmes auto-oscillateurs qui fonctionnent automatiquement à la fréquence propre du redresseurélévateur de tension mais dont le rendement est inférieur à 50%; - les systèmes avec alimentation à découpage, en particulier avec générateur d'impulsions à rapport cyclique variable, dont le rendement peut atteindre 95%. A cause des rendements obtenus, il est préférable d'utiliser un système avec alimentation à découpage. De plus, un auto-oscillateur ou une alimentation à découpage à rapport cyclique fixe, par exemple classiquement 50%, nécessitent une unité de commande séparée pour réguler la valeur de la tension d'alimentation alors qu'une alimentation à découpage à rapport cyclique variable réalise elle-même cette fonction. Dans les systèmes à alimentation à découpage de l'art antérieur, la fréquence du courant fourni par l'unité basse tension au redresseur-élévateur de tension est imposée par la fréquence des impulsions. Néanmoins, la valeur de la fréquence du courant haché par l'alimentation à découpage est fixée manuellement à une valeur déterminée et constante, si possible proche de la fréquence propre estimée des redresseurs-élévateurs de tension. Or, dans une fabrication industrielle, les fréquences propres des redresseurs-élévateurs de tension varient fortement à cause des tolérances de fabrication des composants et de la géométrie exacte de ces unités. Des variations de l'ordre de 20% sur les fréquences propres sont habituelles, elles induisent des surconsommations de courant de plus de 250% et peuvent conduire à la destruction du redresseurélévateur de tension par échauffement et de l'unité basse tension par surcourant. Ces systèmes ne donnent donc pas satisfaction. Des systèmes plus élaborés apparient les unités basse tension et les redresseurs-élévateurs de tension lors du montage de l'installation: la fréquence du courant haché de chaque unité basse tension est fixée en fonction de la fréquence propre du redresseur-élévateur de tension qu'elle devra alimenter. Cette sensible amélioration ne permet cependant pas d'échange standard de l'un des deux soussystèmes lorsqu'une opération de maintenance est nécessaire, à moins de retourner les deux sous-ensembles au fabricant pour un nouvel appariement. De plus, la fréquence propre des redresseurs-élévateurs de tension est variable, non seulement d'un redresseur-élévateur de tension à l'autre, comme indiqué ci-dessus, mais aussi, pour un même redresseur-élévateur de tension, en fonction de son échauffement, c'est-à-dire de sa durée d'utilisation ininterrompue, de la température ambiante et du point de fonctionnement, ce dernier dépendant des paramètres d'utilisation de l'installation qui varient sensiblement dans le temps. L'appariement ne peut être effectué que dans des conditions moyennes qui ne sont pas forcément représentatives de l'utilisation réelle de l'installation. Ces systèmes ne donnent donc pas non plus entièrement satisfaction. L'invention vise à résoudre ces problèmes. Elle concerne un procédé d'élaboration d'une haute tension, notamment pour l'application électrostatique de produit de revêtement du type consistant à découper une tension continue en des impulsions de rapport cyclique variable pour obtenir un signal alternatif et à appliquer ce signal à l'entrée d'un redresseur-élévateur de tension possédant une fréquence propre variable, caractérisé en ce qu'il consiste à faire varier continûment la fréquence dudit signal alternatif pour qu'elle demeure sensiblement égale à ladite fréquence propre. L'invention concerne aussi un dispositif générateur de haute tension, notamment pour alimenter un projecteur électrostatique d'un produit de revêtement, du type comprenant une unité basse tension délivrant un signal alternatif et dont la sortie est connectée à un redresseurélévateur de tension possédant une fréquence propre variable caractérisé en ce que ladite unité basse tension comporte: - un générateur d'impulsions de courant à rapport cyclique variable, - des moyens de commande à variation de fréquence connectés pour piloter ledit générateur d'impulsions de courant, et - des moyens comparateurs pour élaborer une grandeur représentative d'un déphasage entre la tension dudit signal alternatif et un signal représentatif du courant délivré par le générateur d'impulsions de courant, une sortie desdits moyens comparateurs étant connectée à un régulateur de phase lui-même connecté pour piloter lesdits moyens de commande. Grâce au procédé et au dispositif de l'invention, l'élaboration de la haute tension est en permanence effectuée dans les conditions optimum de transfert de l'énergie en comparant les phases du courant et de la tension d'alimentation du redresseur-élévateur de tension. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre d'un mode de réalisation d'un dispositif d'élaboration de la haute tension pour une installation de projection de produit de revêtement par voie électrostatique conforme à son principe donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'un circuit électrique d'un dispositif selon l'invention; - la figure 2 est une vue schématique de l'allure des courbes représentatives de la tension au secondaire du transformateur de liaison et de la tension d'activation des interrupteurs pilotés par l'alimentation à découpage. Dans le circuit de la figure 1, une unité de modulation de largeur d'impulsions 1 pilote deux interrupteurs commandés 2 et 3 délivrant un courant à l'enroulement primaire d'un transformateur de liaison 4 à partir d'une alimentation 5 en courant de secteur redressé. A titre d'exemple, les interrupteurs 2 et 3 peuvent être des transistors MOS. L'enroulement secondaire du transformateur de liaison 4 est connecté à un câble électrique 6 basse tension de longueur suffisante pour être relié au primaire d'un transformateur-élévateur 7 dont le secondaire est connecté à un multiplicateur de tension 8. Le signal fourni au transformateur-élévateur de puissance 7 est un signal alternatif. De manière connue, le multiplicateur de tension est constitué d'une cascade de condensateurs et de diodes. L'ensemble des éléments 7 et 8 constitue le redresseurélévateur de tension 9. De par sa structure, ce redresseurélévateur a une certaine fréquence propre, variable comme indiqué ci-dessus. En fonction de la tension souhaitée à l'électrode et à partir de tables de conversions stockées dans le système, des valeurs de consigne en courant et en tension sont fournies à l'unité 1 sous la forme de deux signaux 1Ref et URef. Les valeurs du courant et de la tension délivrées à l'électrode non représentée sont mesurées, par exemple, par un piquage à l'enroulement secondaire du transformateurélévateur 7 ou à la sortie haute tension et transmises par un câble de retour à l'unité 1 sous la forme de deux signaux de retour IRet et URet La valeur de la tension et du courant de sortie à l'électrode est ainsi régulée en boucle fermée en agissant sur le rapport cyclique de l'unité de modulation de largeur d'impulsions 1. En pratique, le rapport cyclique du générateur d'impulsions est inférieur à 45%. Le redresseur-élévateur de tension 9 fonctionne à sa fréquence propre lorsque son courant et sa tension d'alimentation sont déphasés d'une manière déterminée par l'impédance du redresseur-élévateur de tension. Si le redresseur-élévateur de tension est purement inductif et capacitif, son impédance est purement imaginaire et sa fréquence propre est atteinte lorsque son courant et sa tension d'alimentation sont en phase. Selon une caractéristique importante de l'invention, on utilise le fait que cette situation correspond à un déphasage de 90" entre le passage à zéro de la courbe représentative de la tension et le point maximum de la courbe représentative du courant. On détecte la tension Uc au secondaire du transformateur de liaison 4 puisqu'il s'agit là de la tension d'alimentation du primaire du transformateurélévateur 7. Le signal prélevé est appliqué à une première entrée d'un comparateur de phase 10. En ce qui concerne le courant, le courant au secondaire du transformateur de liaison 4 est en opposition de phase avec le courant au primaire de ce transformateur. On pourrait donc détecter le courant d'attaque du transformateur de liaison 4. Or, ce signal est fortement bruité. Cependant, le courant au primaire du transformateur de liaison 4 est fourni directement par les deux interrupteurs 2 et 3. On peut donc détecter la tension d'activation Uh d'au moins l'un des deux interrupteurs commandés 2 et 3 qui est représentative du courant au primaire du transformateur de liaison 4. En pratique, la fin de la phase de fermeture drun interrupteur 2 ou 3 correspond au maximum du courant au primaire du transformateur de liaison. Le signal représentatif de Uh est prélevé à la sortie de l'unité de modulation de largeur d'impulsions 1 et est appliqué à une seconde entrée du comparateur de phase 10. Le comparateur de phase 10 délivre un signal représentatif du déphasage entre les deux tensions Uc et Uh. I1 est appliqué à une entrée d'un régulateur de phase 11 à travers un filtre passe-bas 12. Le régulateur de phase 11 est connecté pour piloter un oscillateur contrôlé en tension 13 qui commande l'unité de modulation de largeur d'impulsion 1 agissant sur les deux interrupteurs 2 et 3. Le régulateur de phase 11 comporte une autre entrée sur laquelle est appliquée une valeur de consigne fO représentative du déphasage souhaité. Le régulateur de phase élabore un signal représentatif de l'écart entre la valeur du déphasage élaboré par le comparateur de phase 10 et la valeur de fO Ce signal pilote l'oscillateur 13. D'après ce qui a été vu ci-dessus, la valeur de doit être proche de 90". Or, le système n'est pas parfait: son impédance a une partie réelle à cause des pertes en ligne et des temps de réponse de certains composants. En fait, la valeur optimale de fO déterminée expérimentalement est généralement comprise entre 70" et 900 et de préférence voisine de 800. L'ensemble des éléments 1 à 5 et 10 à 13 constitue l'unité basse tension 15 mentionnée plus haut. La figure 2 montre l'allure des courbes des valeurs des tensions Uc et Uh en fonction du temps. L'allure sinusoïdale de Uc est imposée par l'élément qu'elle alimente, à savoir le redresseur-élévateur de tension 9. L'allure de Uh est à impulsion rectangulaire comme cela est classique en sortie d'un générateur d'impulsions à rapport cyclique variable. Comme indiqué précédemment, le régulateur de phase 11 et l'oscillateur contrôlé en tension 13 sont activés pour maintenir le déphasage proche de soit 800. On peut noter que le procédé de l'invention est efficace quel que soit le coefficient de surtension du transformateur-élévateur 7. En particulier, la valeur de la haute tension obtenue à l'électrode n'est pas nécessairement liée à ce coefficient du fait de l'utilisation d'un générateur d'impulsions à rapport cyclique variable. REVENDICATIONS 1- Procédé d'élaboration d'une haute tension, notamment pour l'application électrostatique de produit de revêtement, du type consistant à découper une tension continue en des impulsions de rapport cyclique variable pour obtenir un signal alternatif et à appliquer ce signal à l'entrée d'un redresseur-élévateur de tension (9), possédant une fréquence propre variable, caractérisé en ce qu'il consiste à faire varier continûment la fréquence dudit signal alternatif pour qu'elle demeure sensiblement égale à ladite fréquence propre. 2- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à détecter la tension (Uc) dudit signal alternatif appliqué audit redresseur-élévateur de tension (9), à détecter des impulsions de courant fournissant l'énergie audit redresseur-élévateur et à stabiliser le déphasage entre ladite tension alternative et lesdites impulsions à une valeur prédéterminée, en faisant varier la fréquence desdites impulsions. 3- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on assimile ledit déphasage à l'intervalle de temps entre un passage à zéro de ladite tension dudit signal alternatif et la fin d'une impulsion de tension de commande pilotant l'élaboration desdites impulsions de courant fournissant l'énergie au redresseur-élévateur de tension (9). 4- Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que ledit déphasage est sensiblement stabilisé à une valeur comprise entre 70 et 900, de préférence voisine de 800. 5- Dispositif générateur de haute tension, notamment pour alimenter un projecteur électrostatique d'un produit de revêtement, du type comprenant une unité basse tension (15) délivrant un signal alternatif (Uc) et dont la sortie est connectée à un redresseur-élévateur de tension (9) possédant une fréquence propre variable, caractérisé en ce que ladite unité basse tension comporte: - un générateur d'impulsions de courant (1, 2, 3) à rapport cyclique variable, - des moyens de commande (13) à variation de fréquence connectés pour piloter ledit générateur d'impulsions de courant; et - des moyens comparateurs (10) pour élaborer une grandeur représentative d'un déphasage entre la tension dudit signal alternatif et un signal représentatif du courant délivré par le générateur d'impulsions de courant, une sortie desdits moyens comparateurs étant connectée à un régulateur de phase (11) lui-même connecté pour piloter lesdits moyens de commande. 6- Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens comparateurs (10) comportent deux entrées respectivement connectées à l'entrée dudit redresseur-élévateur (9) et à la sortie d'une alimentation à modulation de largeur d'impulsions (1) faisant partie dudit générateur d'impulsions de courant. 7. Dispositif selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que le générateur d'impulsions de courant (1, 2, 3) à rapport cyclique variable comporte deux interrupteurs (2, 3) commandés, le signal représentatif du courant délivré par le générateur d'impulsions étant le signal de commande d'au moins un desdits deux interrupteurs. 8- Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'un transformateur de liaison (4) a son enroulement primaire connecté au générateur d'impulsions de courant (1, 2, 3) et son enroulement secondaire connecté au redresseur-élévateur de tension (9). 9- Dispositif selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que ledit régulateur de phase (11) comporte une entrée connectée pour recevoir un signal issu dudit comparateur de phase (10) et une entrée connectée pour recevoir un signal représentatif d'un déphasage voulu la la sortie dudit régulateur étant connectée à une entrée des moyens de commande de variation de fréquence (13). 10- Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit signal représentatif du déphasage voulu est fixé à une valeur représentant un déphasage compris entre 700 et 900, de préférence voisin de 800.