Brevet FR2770348A1 — publié le 19990430

La présente invention concerne un dispositif d'ali- mentation en énergie électrique G'un ozone pour des fré onces de 400 Hz à plusieurs dizaines de KHz. Les ozoneurs industriels connus actuellement comportent deux électrodes séparées par un dre ectrisue et un aspace de décharge dans lequel circule un gaz sec contenant e l'oxygène. Si on applique aux bornes de ces électrodes une tension suffisanunent elevée pour atteindre le point disruptif du gaz, il apparaît un effluve entre celles-ci. r wef fluve dissocie l'oxygène dans l'espace de décharge et forme ainsi un gaz contenant une concentration d'ozone fonction de la puissance appliquée et du débit de gaz. Il existe dans l'état de la technique, deux types différents de dispositifs d'alimentation de ces ozoneurs. Des dispositifs d'alimentation comportent un convertisseur de fréquence permettant d'augmenter la fréquence d'alimentation de l'ozoneur par rapport à la fréquence du réseau et d'améliorer la production d'ozone. Ces convertisseurs sont constitués par des onduleurs de type parallèle ou série, sur lesquels est connectée soit une charge résonnante de type L.C. soit une charge non résonnante, non compensée et à commutation forcée, beaucoup moins couteuse que les charges L.C. mais présentant un facteur de puissance déplorable. Un agencement d'un onduleur de type série est décrit dans le brevet français n 39.770 (FR 1 544 857) ayant pour titre "Système d'alimentation électrique pour ozoneur". Un autre type d'onduleur série est décrit dans le brevet français n 69.17372 ayant pour titre "Perfectionnement aux dispositifs d'alimentation à fréquence moyenne d'un circuit récepteur présentant une impédance -variable". D'une part l'amélioration des perlormances des ozoneurs et plus particulièrement leur capacité de produire économiquement de l'ozone à forte concentration conduit à des charges de plus en plus capacitives induisant une réduction importante du facteur de puissance de la charge vu de la source de puissance. Ces conditions imposent l'utilisation d'une compensation de la charge afin d'optimiser le di- mensionnement de la source de puissance. D'autre part, l'amélioration des performances des composants de génération d'ozone conduit à rechercher une augmentation de la puissance appliquée par unité de surface (densité de puissance) ce qui nécessite pour une configuration donnée (formule de Manley) d'augmenter la densité de puissance par une augmentation de la fréquence ou une augmentation de la tension. Les fréquences généralement utilisées pour les ozoneurs industriels sont actuellement inférieures à 2000 Hz. De petits ozoneurs fonctionnent à plus haute fréquence en utilisant des alimentations qui ne peuvent pas être économiquement appliquées à la conception d'ozoneurs industriels. Dans les dispositifs décrits précédemment, il est indispensable de mettre en oeuvre une technique bien particulière de réglage de l'ensemble, notamment pour accorder le transformateur haute tension afin d'obtenir les meilleures conditions de fonctionnement. Il est également très important de maîtriser la technologie des interrupteurs de puissance liée à une commutation plus contraignante de par la charge. Par ailleurs ces systèmes présentent également le désavantage d'avoir besoin de moyens de démarrage compliquant les séquences de fonctionnement et élevant le coût de l'appareil. Ceci aboutit à des dispositifs relativement complexes, d'un prix de revient élevé et dont le fonctionnement n'est pas optimisé. Le but de l'invention est de créer un dispositif permettant de concevoir au moindre coût une alimentation d'un ozoneur industriel fonctionnant de façon stable à des fréquences comprises entre 400 Hz et des fréquences élevées pouvant atteindre plusieurs dizaines de KHz. A cet effet l'invention a pour objet un dispositif 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 sont connectés un pont onduleur série dual couplé à une charge résonnante composée d'une self à haute tension en série avec l'ozoneur. 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.l représente un schéma d'une charge série composée d'une self et d'un ozoneur illustrant la charge utilisée selon l'invention, la Fig.2 et 3 représentent des courbes de l'évolution de l'impédance en fonction de la fréquence et du courant appliqué illustrant le principe du fonctionnement du dispositif selon l'invention, les Fig.4A et 4B représentent respectivement un schéma d'un thyristor dual entrant dans la constitution du dispositif selon l'invention et ses caractéristiques d'impédance, et la Fig.5 représente un schéma synoptique de dispositif d'alimentation d'onduleur série dual selon l'invention. Ainsi qu'on peut le voir la Fig.l, le circuit résonnant de la charge d'un ozoneur est composé d'une self haute tension désignée par la référence l et d'un ozoneur constitué de deux condensateurs, respectivement Cd 2 et Cg 3, représentant l'un, Cd 2, un diélectrique et l'autre, Cg 3, un espace de décharge empli d'un volume de gaz, et d'une diode zener 4 symbolisant la tension disruptive Eo du gaz. La self 1 et l'ozoneur 2,3,4 sont couplés en série. La self joue un double rôle. D'une part elle permet de compenser l'énergie réactive du circuit, et d'autre part, elle élève la tension sur l'ozoneur au niveau de puissance désiré. L'ensemble oscille à une fréquence de résonance F,. L'ozoneur présente comme caractéristiques principales d'avoir un condensateur 3 de capacité Cg variable en fonction de la tension appliquée et donc de la puissance résultante. La fréquence étant fonction de cette capacité, la fréquence du circuit est variable naturellement en fonction de la puissance. Elle est représentée sur la Fig.2. Ce graphique montre l'évolution de la fréquence en fonction de la puissance active appliquée à l'ozoneur. La principale difficulté de ce type de circuit est la chute de la fréquence de résonance Fo en fonction de puissance active. En effet, à basse puissance, la fréquence est plus élevée qu'à forte puissance. La Fig.3 montre l'évolution de l'impédance en fonction de la fréquence d'oscillation du circuit. L'état natu rel du circuit se décompose, suivant la nature de la charge de la manière suivante - circuit globalement inductif à droite du point de résonance et - circuit globalement capacitif à gauche du point de résonance. L'ozoneur présente donc une impédance non linéaire et fortement variable en fonction de la fréquence d'oscillation du circuit. Il présente en outre un risque de court-circuit qui entraîne, dans le cas d'un onduleur de type série classique à thyristors le maintien en conduction des thyristors du pont onduleur. Pour pallier ces inconvénients, on utilise suivant l'invention un organe de puissance du type thyristor dual, ce qui permet, d'une part de maintenir le fréquence de fonctionnement de l'ozoneur à une valeur supérieure à la fréquence de résonance de la charge et, d'autre part, de bloquer les thyristors duals en cas de court-circuit. Ainsi qu'on peut le voir sur la Fig.4A un thyristor dual est constitué d'un organe commutateur désigné par la référence 5 qui peut être un thyristor blocable, ou encore un transistor bipolaire tel qu'un IGBT ou à effet de champs et, placée en antiparallèle, une diode de commutation désignée par la référence 6. Le thyristor dual est un organe commutateur qui présente la caractéristique d'être fermé ou conducteur à l'état naturel, d'être contrôlable à l'ouverture puis de se refermer naturellement par inversion de la tension à ses bornes. La caractéristique d'impédance courant en fonction de la tension représentée à la Fig. 4B illustre le principe de commutation de cet organe utilisé dans l'invention. Ce commutateur, contrairement au thyristor classique, laisse passer un courant dans son état naturel. Il se bloque par un ordre envoyé sur la gâchette. La tension monte à ses bornes jusqu'à l'annulation du courant à travers l'or- gane commutateur 5, le courant pouvant toujours circuler en inverse dans la diode antiparallèle 6. Ainsi le courant peut être en retard par rapport à la tension. Avec ce type de commutateur, la charge doit être globalement inductive. Dans ce cas, il est possible de fonctionner en circuit série avec l'inductance 1 et l'ozoneur composé des condensateurs 2 et 3 de capacités respectives Cd et Cg. La fréquence de fonctionnement sera stable car la charge étant toujours inductive, la fréquence de fonctionnement sera toujours supérieure à la fréquence de résonance permettant une régulation stable de la puissance. L'utilisation de thyristors dual permet un fonctionnement stable d'un onduleur série sur une charge inductive. Comme on peut le voir sur la Fig.5, le dispositif d'alimentation en énergie électrique selon 1 invention, permet d'alimenter un ozoneur désigné par la référence 7 à partir d'une source d'alimentation en courant continu désignée par la référence 8. Cette source d'alimentation en courant continu peut comporter de manière classique un pont redresseur du type pont de graetz, à thyristors, désigné par la référence géne- rale 9, une inductance de lissage 10 et un ensemble de condensateurs 11. Le circuit résonnant série comprend une inductance 14 et l'ozoneur 7. Par ailleurs, quatre organes commutateurs de technologie thyristor dual à semi-conducteurs 15 pilotés par des moyens de déclenchement électronique (non représentés) sont connectés en parallèle aux bornes de la charge par l'intermédiaire d'un transformateur haute tension 16 qui présente une self de fuite parasite 17. Les quatre thyristors duals 15 fonctionnent alternativement afin d'obtenir un signal de tension de forme rectangulaire. Le circuit de charge composé alternativement de la self de fuite 17 du transformateur 16 de la self haute tension 14 et de l'ozoneur 7 constitue une impédance globalement inductive et fonctionne à une fréquence supérieure à la fréquence de résonance verrouillée par un dispositif de commande (non représenté) et de type classique. La fréquence de résonance de cette charge étant variable, l'onduleur suit cette fréquence qui évolue suivant le niveau de puissance injecté (Fig.2). Dans ce cas, l'ondu leur fonctionne en mode autopiloté dans lequel la fréquence est imposée par le circuit oscillant (fonctionnement en régime naturel). La charge est donc résistive et le déphasage entre la tension et le courant sur la charge est très faible. Dans des technologies de type onduleur parallèle, lorsque la fréquence de fonctionnement devient trop importante, la self de fuite 17 du transformateur haute tension 16 devient un élément perturbateur car les temps de commutation deviennent trop importants pour des fréquences élevées, le fonctionnement à fréquence élevée implique une réduction importante de la self de fuite ce qui rend difficile voire impossible la conception du transformateur haute tension. Ce problème n'apparaît pas dans une technique d'onduleur série car la self de fuite s'ajoute au circuit de charge sans devenir un élément perturbateur et permet ainsi d'obtenir des temps de commutation corrects pour l'onduleur série. L'inductance haute tension 14 a pour rôle principal de compenser le faible facteur de puissance de la charge que représente l'ozoneur et a en même temps pour effet d'élever la tension aux bornes de l'ozoneur. Ainsi, pour une puissance donnée, on obtient des versions plus basses en sortie du transformateur haute tension 16. Ces niveaux de tension deviennent plus proches des tensions de sortie de l'onduleur. La chute de cette tension de sortie permet d'éliminer ce transformateur haute tension 16 et ainsi de réaliser un couplage direct entre l'onduleur série dual et la charge composée de l'inductance haute tension et de l'ozoneur. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'alimentation en énergie électrique d'un ozoneur (7), caractérisé en ce qu'il comporte une source d'alimentation en courant continu (8), aux bornes de laquelle sont connectés un pont onduleur série dual couplé à une charge résonnante composée d'une self à haute tension (14) en série avec l'ozoneur (7). 2. Dispositif d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pont onduleur série dual fonctionne en mode autopilotage. 3. Dispositif d'alimentation selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le pont onduleur série dual est couplé à la charge résonnante (7,14) par l'intermédiaire d'un transformateur haute tension (16) dont la self de fuite (17) constitue avec la self à haute tension (14) et l'ozoneur (7) une impédance globalement inductive à la fréquence de fonctionnement de l'ozoneur déterminée par un dispositif de commande du pont onduleur série dual, la fréquence de fonctionnement étant supérieure à la fréquence de résonance de la charge. 4. Dispositif d'alimentation selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le pont onduleur série dual est connecté directement à la charge résonante.