Brevet FR2780214A1 — publié le 19991224

"Dispositif d'alimentation pour équipement de soudure électrique" Le dispositif objet de la présente invention est du domaine des alimentations d'équipements électriques. Elle concerne plus particulièrement l'alimentation électrique d'équipements de soudure électrique ou analogues. De façon classique, les équipements de soudure électrique sont alimentés en courant alternatif monophasé, à partir du réseau industriel triphasé à 50 ou 60 Hz. Ces dispositif sont constitués en général d'au moins deux transformateurs disposés en cascade: d'une part un transformateur monophasé connecté au réseau et muni d'un certain nombre de prises de réglage et d'adaptation d'impédance, et, d'autre part, un transformateur monophasé particulier aux équipements de soudure du fait des courants très élevés de son secondaire. Ces dispositifs présentent plusieurs inconvénients principaux. La consommation sur le réseau triphasé est monophasée, et, assez souvent, de puissance relative importante. il s'ensuit des déséquilibres importants entre les phases des réseaux triphasés, déséquilibres générateurs de dissymétries gênantes pour les utilisateurs. Par ailleurs, le facteur de puissance est systématiquement faible, du fait des réactances nécessairement importantes contenues ou introduites pour stabiliser le courant. Ceci augmente très sensiblement la taille des appareils et conduit à une consommation d'énergie réactive souvent trop importante et qu'il faut compenser par des batteries de condensateurs. De plus, un effet "Flicker" peut apparaître sur le réseau du fait de la forte fluctuation du courant réactif absorbé. Enfin, le réglage et la maîtrise du courant de soudure manque de souplesse et de précision. En effet, les trois paramètres de tension à vide, courant nominal de bonne soudure et courant de court-circuit ne peuvent être réglés de manière suffisamment indépendante les uns des autres. Le plus souvent ces paramètres ne sont pas réglables par l'utilisateur car ils sont déterminés à la conception et la construction de l'appareil. Ils ne peuvent alors être modifiés que difficilement (par ajout d'éléments dans le montage), et de manière liée. La présente invention entend donc remédier à ces inconvénients en proposant un nouveau dispositif d'alimentation d'équipements électriques. Selon un second objectif de l'invention, le dispositif permet le réglage indépendant des paramètres principaux de l'alimentation. Selon un autre objectif de l'invention, la taille du dispositif est sensiblement réduite par rapport aux équipements classiques. Le dispositif objet de la présente invention est donc un dispositif d'alimentation électrique en courant monophasé alternatif d'une charge de type général des équipements de soudure, comprenant une source de courant, un transformateur monophasé monté en amont de la charge, caractérisé en ce que la source de courant est de type triphasé, en ce qu'il comprend un transformateur triphasé, un convertisseur redresseur et un convertisseur statique réglable, montés entre la source de courant triphasé et le transformateur monophasé. On comprend que l'introduction d'un convertisseur statique pour alimenter un équipement de type équipement de soudure apporte d'importants avantages sur la quantité et la qualité de la consommation sur le réseau ainsi que sur les moyens de réglage et les actions des paramètres électriques de l'alimentation. De plus, le convertisseur sert d'interrupteur statique ultrarapide pour les protections éventuelles. Il est naturellement auto-protégé contre les surtensions éventuelles dues à l'extinction du courant magnétisant du transformateur provoqué par l'ouverture du circuit secondaire de la soudeuse. Il est notable que l'on a procédé ici à une séparation de fonctions précédemment réalisées simultanément dans les dispositifs traditionnels, ce qui permet dans la présente invention de régler et d'asservir séparément des paramètres importants. Selon des dispositions préférées de réalisation, éventuellement utilisées en combinaison, le convertisseur statique réglable est un convertisseur continu- alternatif monophasé, de tension de sortie réglable. Il est éventuellement de fréquence de sortie réglable, et en particulier différente de celle du réseau. Il est associé à un régulateur. Ces dispositions sont favorables à une utilisation de l'équipement pour différents types d'environnement d'utilisation, en modifiant simplement des paramètres de fonctionnement. Selon un mode de réalisation préféré, correspondant à l'utilisation de composants classiques, le convertisseur statique est un onduleur de type "MLI" (Modulation de Largeur d'lmpulsion, également connu sous le nom "PWM" en anglais pour "Pulse Width Modulation"). Selon un mode de réalisation avantageux, le convertisseur redresseur est constitué d'au moins un pont redresseur à diodes. La description et les dessins qui suivent permettront de mieux comprendre les buts et avantages de l'invention. Il est clair que cette description est donnée à titre d'exemple, et n'a pas de caractère limitatif. Dans les dessins: - la figure 1 représente schématiquement un équipement conventionnel d'alimentation de soudure; - la figure 2 représente de façcon schématique un dispositif d'alimentation de soudure selon l'invention. Tel que représenté sur la figure 1, un dispositif classique, non conforme à l'invention, comprend un transformateur monophasé 2 connecté au réseau triphasé 1 (de type classique 380 V 50Hz) et muni d'un certain nombre de prises de réglage et d'adaptation d'impédance 3, et un transformateur monophasé 4, particulier aux équipements de soudure 5 du fait des courants très élevés (typiquement plusieurs dizaines de kilo-ampères) de son secondaire. La figure 2 illustre alors un dispositif conforme à l'invention. Comme on le voit sur la figure, ce dispositif comprend, à partir du réseau 1, un transformateur triphasé 6 de type classique, doté en amont de son primaire d'un interrupteur 7. Ce transformateur triphasé 6 est plus faiblement dimensionné que celui d'un dispositif d'alimentation traditionnel, du fait de sa nature triphasée et du bon facteur de puissance de sa charge. Au secondaire de ce transformateur triphasé 6 est connecté un convertisseur redresseur 8, de type connu en soi, et ici par exemple un redresseur à diodes disposé en pont de Graetz triphasé. Ce convertisseur redresseur 8 peut être constitué d'un ou de plusieurs tels ponts, selon une architecture connue, ou de systèmes plus complexes du commerce, et par exemple en montage dit dodécaphasé. Chaque pont peut également être à redresseurs commandés et par exemple à thyristors. Il comporte alors un régulateur 9 (qui permet de régler la tension de sortie). Le convertisseur redresseur 8 alimente en courant continu (de valeur fonction de la puissance et de l'onduleur placé en aval) un convertisseur continu-alternatif 10 monophasé. Ce convertisseur continu-altemrnatif 10 est préférentiellement un onduleur de type M.L.I. (Modulation de Largeur d'lmpulsion, connu de l'homme du métier en électrotechnique) réglable en fréquence et tension de sortie, qui peut être composé de thyristors de type "GTO" (Gate Tum Over), susceptibles d'être éteints, ou de transistors "bipolaires" ou de type "IGBT'. Un régulateur 12, qui utilise pour informations d'entrée les valeur de tension et courant en sortie du convertisseur continu-alternatif 10 (voir figure 2), permet le pilotage dudit convertisseur continu- altemrnatif 10 (et éventuellement du convertisseur redresseur 8) et donc le réglage des paramètres d'exploitation du dispositif de l'invention (comprenant en particulier tension à vide, courant nominal de bonne soudure, courant de court-circuit et fréquence). Ce régulateur peut être soit réglé manuellement, soit télécommandé, soit asservi, par exemple par microcontrôleur ou microprocesseur piloté par un logiciel adapté. Ce convertisseur continu-alternatif 10 alimente à son tour un transformateur monophasé 11 de type classique, de type similaire au transformateur monophasé 4 du montage classique (figure 1), possédant un très fort courant de sortie, et qui alimente la charge 5. Le dimensionnement du transformateur monophasé 11 peut a priori être identique à celui d'un équipement traditionnel, ou plus faible dans la mesure o sa fréquence nominale peut être choisie indépendamment de la fréquence du réseau d'alimentation 1 (et donc ici plus grande). Le mode de fonctionnement du dispositif est simple, puisque ce type de dispositif se substitue à un dispositif d'alimentation traditionnel. Plusieurs moyens de réglage et d'action sur le fonctionnement du dispositif sont disponibles à l'utilisateur: 1/le courant de soudure réglé par une consigne de type: I = i consigne - k. A U O k représente une transmittance fictive réglable de 0 jusqu'à une valeur intéressante pour l'exploitation. Ce coefficient k peut permettre de compenser les éventuels écarts d'impédance du circuit secondaire de soudage d'une installation à l'autre. Le réglage de l'amplitude de la tension de sortie est ultrarapide (quelques millisecondes, dépendant de la fréquence de découpage du convertisseur continu-alternatif MLI, ce temps étant égal à la durée d'une alternance de la fréquence de commutation) et permet d'asservir parfaitement le courant, indépendamment des perturbations et variations d'impédance de la charge. Une loi éventuelle de réglage de l'écart de tension en fonction de l'écart de courant permet d'introduire une impédance fictive supplémentaire autour de la valeur de consigne du courant. Le courant de court-circuit naturel est a priori élevé (en particulier si le dispositif d'alimentation est optimisé pour ses dimensions ou son coût). Le dispositif de réglage offre de régler une intensité maximale en fonction du besoin spécifique à chaque utilisation, sans modification des autres paramètres. 2/la tension plafond (également dite " de rétablissement "), au moment o le courant s'annule, cette valeur étant réglable sous forme de consigne permanente ou variable selon les exploitations. Il est à noter que cette valeur peut être réglée indépendamment des autres paramètres, ou en fonction de ceux-ci, ou encore en fonction du temps après une extinction accidentelle. 3/ la fréquence éventuellement variable par ajustement, ou en cours d'exploitation, et / ou en fonction de certains paramètres et en particulier, pour les faibles valeurs de courant, en augmentant la tension à vide (sans avoir à surdimensionner le transformateur de sortie 11, on peut augmenter sa tension "à vide" par exemple en augmentant la fréquence, ce que ne permettent pas les dispositifs traditionnels). La fréquence d'alimentation du transformateur peut être choisie de valeur différente de celle du réseau pour optimiser la soudure. Par ailleurs, elle peut également être modifiée d'une exploitation à l'autre, y compris à tout moment en fonction de paramètres de fonctionnement. 4/ la forme d'onde pour améliorer la qualité de production en réduisant le risque d'extinction au passage à zéro du courant, par exemple en utilisant une onde de forme "trapézoïdale". Lors de l'utilisation du dispositif, le courant nominal de bonne soudure est réglé en premier lieu, avant la tension à vide (déterminant l'amorçage ou le réamorcçage du dispositif de soudure) et le courant de court circuit (courant maximum correspondant au collage des électrodes de soudure). Les autres paramètres sont modifiés si nécessaire selon les conditions spécifiques en cours d'utilisation, de façcon connue de l'homme de métier. On comprend que cette combinaison de transformateurs et de convertisseurs statiques présente plusieurs avantages notables. En particulier, la consommation sur le réseau est ici triphasée et équilibrée, ce qui est très appréciable dès que la puissance est relativement importante. De plus, le facteur de puissance est bon, et par exemple égal ou supérieur à 0.9, lorsque le convertisseur redresseur 8 est constitué de simples ponts de diodes. Il peut être égal à 1, voire producteur de réactif, avec des convertisseurs redresseurs plus élaborés, comme le type MLI commandé par un régulateur. Par ailleurs, les fluctuations de courant réactif appelé au réseau sont faibles, voire quasiment nulles, et le montage à base de convertisseur en ponts de diodes ou sous forme d'onduleur MLI permettent tous deux d'éviter un effet " Flicker ". On note également qu'aucune réactance supplémentaire n'est à introduire dans les circuits ou à intégrer dans les transformateurs, au contraire des dispositifs traditionnels. Les appareils peuvent être optimisés pour leur dimensions, ou pour leur coût, sans se préoccuper de réduire l'excès de courant éventuel de court-circuit naturel en sortie (typiquement en introduisant des réactances). Les convertisseurs statiques 10, dont on a vu qu'ils peuvent être de type "MLI", peuvent être également de type "pleine onde" ou "onde rectangulaire" mais n'offrent pas alors de réglage de la tension de sortie et doivent être précédés dans ce cas, soit de redresseurs commandés, soit d'un "hacheur" de type classique, pour assurer ce réglage de ladite tension de sortie. Dans une variante de mise en oeuvre non représentée, la forme du courant de sortie peut être modifiée de façon à améliorer l'exploitation (ondes trapézoïdales ou autres). Ici en effet, on règle la tension pour asservir un courant, et on peut donc agir indépendamment sur la forme d'onde. Pour ce faire, un dispositif de nature connu en soi est intégré au dispositif tel que décrit, selon un montage connu de l'homme de l'art. La portée de la présente invention ne se limite pas aux détails des formes de réalisation ci-dessus considérés à titre d'exemple, mais s'étend au contraire aux modifications à la portée de l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'alimentation électrique en courant monophasé alternatif d'une charge de type général des équipements de soudure, comprenant une source (1) de courant, un transformateur monophasé (11) monté en amont de la charge (5), caractérisé en ce que la source de courant est de type triphasé, en ce qu'il comprend un transformateur triphasé (6), un convertisseur redresseur (8) et au moins un convertisseur statique réglable (10), montés entre la source (1) de courant triphasé et le transformateur monophasé (3). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le convertisseur statique réglable (10) est un convertisseur continualternatif monophasé, de tension de sortie réglable. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le convertisseur statique (10) est de fréquence de sortie réglable. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le convertisseur statique (10) est associé à un régulateur (9) 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le convertisseur statique (10) est un onduleur de type "MLI". 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le convertisseur redresseur (8) est constitué d'au moins un pont redresseur à diodes. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le convertisseur redresseur (8) est constitué de redresseurs à diodes disposés en montage dit "dodécaphasé". 8. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le convertisseur statique (10) est un onduleur de type "pleine onde" alimenté par un pont redresseur commandé ou par un hacheur.