Brevet FR2867916A1 — publié le 20050923

La présente invention se rapporte à un générateur électrique à haute tension en haute fréquence à faible résistance interne et à haut rendement énergétique. Les applications industrielles des générateurs électriques à haute tension en haute fréquence sont multiples dans tous les domaines. Il existe pour ces générateurs électriques un domaine d'application particulier et intéressant constitué par toutes les possibilités de traitement par l'effet plasma. Dans ce domaine, de nombreux générateurs électriques pour le traitement par plasma ont été imaginés décrits et publiés dans la littérature scientifique ou par la mise à la connaissance du public des descriptifs des brevets d'invention. Pour la présente invention, on s'intéresse plus particulièrement à un générateur électrique à haute tension en haute fréquence qui peut convenir pour générer un plasma utilisé notamment pour le traitement de surface. Il s'agit de générateurs dont la haute tension et la haute fréquence engendre un plasma sous pression atmosphérique c'est-à-dire à pression libre ambiante et permettant le traitement par plasma réalisé sur une surface. On peut à l'aide de ces générateurs traiter par plasma une ou plusieurs surface(s) intérieure(s) ou extérieure(s) d'un corps, d'un objet ou d'un produit. Pour obtenir simultanément ces valeurs élevées de tension électrique et de fréquence les générateurs électriques actuels utilisent en dernier étage un transformateur haute fréquence à couplage inductif. Il s'agit de transformateurs spéciaux à noyau de ferrite dont le coût s'avère déjà élevé. Or, ces transformateurs présentent une limite en fréquences particulièrement handicapante en raison de la saturation précoce des ferrites. Celles-ci se saturent 2867916 2 à une fréquence dite de coupure au-delà de laquelle, la transmission d'énergie se dégrade sensiblement. Cet inconvénient condamne l'utilisation de ce type de transformateurs audelà de la fréquence de coupure. Or cette dernière ne se situe qu'à la limite supérieure d'une gamme inférieure de hautes fréquences de l'ensemble du domaine exploitable intéressant par exemple pour les applications de plasma atmosphérique. Par ailleurs, ce type de transformateurs de haute tension et à haute fréquence présente un rendement décroissant avec la montée en fréquences. Il existe maintenant d'autres transformateurs haute fréquence présentant un noyau ferromagnétique en terres rares permettant de réduire les inconvénients ci-dessus. Ces transformateurs s'avèrent cependant sensiblement onéreux en raison précisément de l'emploi de terres rares représentant une forte incidence sur le prix de revient. De plus, en montant en tension, on rencontre aussi et même avec ces transformateurs, des problèmes d'isolement électrique entre le primaire et le secondaire. De plus, si l'on veut éviter les problèmes d'isolement électrique, les dimensions et le poids ainsi que corrélativement le prix, augmentent de façon importante. En raison des hautes tensions nécessaires, les composants actifs et de commutation sont souvent encore des tubes à vide qui présentent les meilleures garanties de fiabilité pour ces niveaux de tension. Par ailleurs, les rendements énergétiques médiocres rencontrés et les hautes puissances de fonctionnement nécessitent des moyens d'évacuation de la chaleur par un liquide caloporteur. Le but de l'invention est de procurer un générateur électrique d'encombrement réduit, de haut rendement énergétique et de coût de revient compétitif, présentant les performances électriques nécessaires pour l'établissement d'un plasma permettant de traiter une surface d'un corps, d'un objet ou d'un produit. A cet effet, le générateur électrique selon l'invention à faible résistance interne et à haut rendement énergétique présente une alimentation électrique et un circuit résonant multiplicateur de tension, les deux étant commandés chacun par un pilote et se caractérisé par une alimentation à découpage à partir du secteur de distribution électrique commandée à une fréquence fixe de découpage, un système résonant multiplicateur de tension à couplage capacitif alimenté par l'alimentation à découpage commandée par un pilote, système dont la sortie est réliée à une ou plusieurs électrode(s) à proximité ou en contact avec un corps, un objet ou un produit, un microcontrôleur de gestion, de contrôle et de commande. En raison de son convertisseur-multiplicateur de tension à couplage capacitif, et de sa constitution simple, le générateur électrique selon l'invention présente un coût de revient tout à fait compétitif et une incidence du coût de montage des plus faibles pour ce genre de produit. En raison de son rendement énergétique intéressant, le générateur électrique selon l'invention peut évacuer la chaleur par de simples moyens classiques, par exemple statiques par radiateurs de dissipation ou autres avec ou non l'assistance éventuelle d'un ventilateur. Ses performances peuvent donc aller au-delà de celles des générateurs antérieurs. Ce générateur électrique est prévu pour fonctionner à une fréquence optimale typique de l'application envisagée. Il suffit d'accorder son système résonant pour l'adapter à l'application envisagée. L'avantage de sa construction économique associé à son haut rendement énergétique le rend tout à fait intéressant pour l'industrie. De plus, il présente une grande aptitude à être réduit en taille, si bien que son encombrement peut devenir minimal, favorisant ainsi son implantation voire son intégration, dans des machines industrielles automatiques même de petite taille. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit, donnée à titre d'exemple et accompagnée des dessins dans lesquels: la figure 1 est un schéma général synoptique par blocs montrant la composition générale en fonctions principales du générateur électrique selon l'invention, la figure 2 est un schéma par blocs de l'alimentation à découpage DECALIM montrant la boucle de régulation de sa tension de sortie, 20. la figure 3 est un schéma par blocs du système résonant SYRES multiplicateur de tension, la figure 4 est un schéma par blocs du pilote PIOSYRES de commande du système résonant SYRES, la figure 5 est un schéma plus détaillé du système résonant multiplicateur de tension SYRES, la figure 6 est une vue schématique en perspective du convertisseur- multiplicateur CCTT de tension à couplage capacitif. Le générateur électrique selon l'invention est représenté dans ses fonctions générales de base sur la figure 1. On peut répartir les fonctions principales de la façon suivante: une alimentation à découpage DECALIM et son circuit de régulation, un système résonant SYSRES en étage de sortie et son circuit pilote ou de commande, et un microcontrôleur de gestion, de commande et de contrôle MICROGER. 2867916 5 L'alimentation à découpage DECALIM délivre une tension continue ajustable et régulée à un système résonant SYRES accordé sur une fréquence de résonance Fr de préférence comprise entre 1 et 5 Mhz correspondant à l'application visée. Ce système résonant sera amené à la résonance par un signal d'excitation généré et stabilisé à la fréquence de résonance Fr pour débiter sous haute tension en sortie à cette fréquence et sous faible résistance interne sur ou dans un ou plusieurs corps ou produit(s) ou un objet(s) dont la ou les surface(s) est ou sont à traiter par plasma atmosphérique de préférence en surface. On examinera ci-après les unes après les autres les différentes fonctions générales du générateur électrique selon l'invention. Le générateur se compose d'abord de l'alimentation à découpage DECALIM à partir de la tension de distribution du réseau électrique, par exemple du réseau domestique de courant alternatif sous 220 volts à 50Hz. Ce réseau est dénommé REASEC sur le dessin de la figure 1. L'alimentation électrique à découpage DECALIM a pour but de délivrer en sortie à partir de la tension alternative AC du secteur ou du réseau une tension électrique continue DC de valeur ajustable en fonction de l'application par exemple entre 100 et 600 volts continus, mais stable et régulée pour garder constante la haute tension électrique de sortie du générateur électrique et ceci avec une autre boucle de régulation dite d'autopilotage agissant à partir de la tension de sortie sur l'excitation du circuit résonant qui sera expliquée ci-après. Cette alimentation DECALIM se compose des différents blocs représentés sur la figure 2. Il s'agit d'abord à partir du secteur REASEC, d'un bloc redresseur et de filtrage REDFIL à pont de diodes (par exemple à pont de Graetz) permettant d'obtenir en sortie une tension continue d'environ 300 volts. La partie filtrage de ce bloc REDFIL comprend des capacités chimiques pour assurer la production de la tension continue ainsi que la réserve d'énergie et la protection contre les éventuels retours de haute fréquence du bloc de découpage qui le suit. Le bloc de découpage est l'étage intermédiaire de cette alimentation à découpage. Il s'agit d'un hacheur ou découpeur CHOP formé de quatre transistors par exemple IGBT disposés selon un pont en H et commandés par un signal de découpage à fréquence de découpage Fd. La tension de sortie est augmentée par un transformateur de puissance TRAFO puis redressée et filtrée par un redresseur haute fréquence REDEF pour arriver en sortie SE à une tension continue à niveau régulé, comprise entre 100 et 600 volts qui alimentera le système résonant SYRES. Trois fonctions supplémentaires sont associées à l'alimentation à découpage DECALIM à savoir la stabilisation et la régulation de la tension de sortie et la commande de puissance par le pilote de l'alimentation à découpage PIOLIM ainsi que le contrôle de sécurité qui s'effectue dans MICROGER par la mesure et la limitation du courant au niveau du pont découpeur CHOP. Le pilote PIOLIM de l'alimentation à découpage est un circuit générateur d'impulsions rectangulaires à la fréquence de découpage Fd par exemple égale à 100 Khz et de largeur variable provenant d'un générateurmodulateur d'impulsions selon une modulation en largeur connue sous PWM à partir d'une commande extérieure permettant la gradation de l'énergie apportée au circuit résonant SYRES. Une isolation galvanique, par exemple par transformateur est prévue entre le pilote PIOLIM et le hacheur ou découpeur CHOP. 2867916 7 Comme indiqué, pour des besoins de réglage et d'expérimentation, l'énergie apportée par cette alimentation est modifiable par modification manuelle de la profondeur de modulation PWM de ces impulsions par exemple en largeur. Dans le cadre d'une application industrielle, cette modification s'effectue au travers de la boucle de régulation prévue entre la sortie de cette alimentation et la commande. L'énergie apportée par cette alimentation constitue l'énergie incidente du système prélevée par celui-ci sur le secteur pour l'application visée par exemple de traitement de surface au plasma. La stabilisation et la régulation de la tension au point SE est une boucle de retour agissant sur le pilote PIOLIM à travers le microcontrôleur MICROGER pour assurer une tension stabilisée et constante au point SE c'est-à-dire une tension constante d'alimentation du système résonant SYRES. Cette régulation peut par exemple fonctionner selon le principe de la comparaison à une tension de consigne. La différence engendre automatiquement un ajustement de la puissance par la modulation PWM d'impulsion en largeur en vue de réajuster la tension à la valeur souhaitée. La tension de sortie du générateur électrique selon l'invention est générée par le système résonant SYRES qui est un étage en Oscillateur haute fréquence de Haute Tension OHT destiné à délivrer sous faible impédance à un ou plusieurs corps ou objet(s) ou produit(s) à traiter individuellement ou simultanément, une haute tension sinusoïdale de grande amplitude et de haute fréquence fixes ou stabilisées préalablement choisies. La fréquence de travail est la fréquence de résonance Fr de cet oscillateur sous charge. Celle-ci est connue pour chaque application industrielle particulière visée car déterminée préalablement expérimentalement ou lors de la mise en service de la ligne industrielle de traitement. Il peut s'agir aussi dans le processus industriel de plusieurs traitements successifs pouvant nécessiter chacun une fréquence spécifique. Le principe général consiste à déterminer la fréquence liée au traitement souhaité, de construire et d'ajuster le circuit résonant OHT avec sa charge et sa capacité d'ajustement pour que la fréquence de résonance de celui-ci corresponde à la fréquence déterminée pour le traitement visé. Il suffit alors d'exciter le circuit résonant à cette fréquence qui est aussi par construction sa fréquence de résonance sous charge pour que le générateur fonctionne de façon optimale et que le traitement soit réussi dans toutes ses caractéristiques. On examinera ci-après le système résonant SYRES et l'oscillateur OHT qui le compose ainsi que sa commande avec boucle d'autopilotage. Le circuit OHT comme représenté sur la figure 5 est du type LC, à savoir formé d'une inductance et d'une capacité. Il se compose à partir du point d'alimentation SE, d'une inductance L et en série d'une capacité fixe Cl et du convertisseur capacitif tubulaire de tension CCTT dont le secondaire abouti au point de haute tension de sortie ST auquel la charge à traiter est reliée électriquement. Un condensateur d'appoint C2 est monté en parallèle entre le point SM en aval de l'inductance L et la masse M. Ce condensateur C2 est utilisé pour ajuster la valeur totale de la capacité du circuit résonant. Le point SM est également l'entrée du circuit CAT d'attaque ou d'excitation de OHT monté entre SM et M. Ce circuit CAT est constitué essentiellement de transistors IGBT ou MOSFET commandés sur leur grille respective par un signal impulsionnel à la fréquence de résonance Fr de l'oscillateur OHT sous charge. Ce signal impulsionnel d'excitation est fourni à cette fréquence Fr et selon une énergie variable par le circuit pilote PIOSYRES du système résonant SYRES obtenu de la façon décrite ci-après. A titre d'exemple, la fréquence de résonance Fr est une radiofréquence comprise entre 1 et 5 Mhz. Comme indiqué, elle est fixe et autostabilisée pour une application donnée ou pour un effet donné. Elle est générée de la façon suivante dans l'exemple décrit ci-après par le circuit PIOSYRES de pilotage du système résonant (figure 4). Celui-ci est entièrement numérique. A l'aide d'un Synthétiseur Numérique de Fréquences DDS, on génère un signal sinusoïdal de fréquence précise utilisé directement et qui, après conversion à l'aide d'un Convertisseur Numérique Analogique CNA devient une tension continue de grande précision. Comme représenté sur la figure 4, le passage des deux signaux dans un comparateur permet d'obtenir des impulsions rectangulaires variables en rapport cyclique mais à fréquence fixe, c'est-à-dire un signal périodique à fréquence fixe d'impulsions rectangulaires à largeur modulable en fonction du niveau de tension continue CNA. Cette possibilité de variation est utilisée pour autopiloter le système résonant à partir de sa tension de sortie au point ST en vue de garder une tension constante à ce point indépendamment des variations et fluctuations diverses et notamment capacitives de la charge. Cette constance dans le fonctionnement permet de garantir un traitement uniforme pour chaque objet ou produit et d'un objet ou produit à l'autre. Un ajustement de la fréquence d'excitation est également prévu pour rétablir les conditions optimales suite aux fluctuations diverses notamment capacitives et de la charge. Il s'agit de la boucle d'autopilotage du système résonant selon laquelle une variation de la 2867916 10 tension de sortie agit sur la fréquence d'excitation et la quantité d'énergie d'excitation arrivant à la grille des transistors de commande de l'excitation. S'agissant d'un composant important pour le générateur électrique selon l'invention, on décrira maintenant le convertisseur capacitif tubulaire de tension CCTT. Il s'agit d'un corps tubulaire creux CT en matière électriquement isolante, par exemple en matière connue sous la dénomination TEFLON pour des fréquences inférieures à 1 Mhz ou en céramique pour des fréquences supérieures à 1 Mhz représenté plus particulièrement sur la figure 6. La surface latérale interne de ce corps tubulaire en matière électriquement isolante est recouverte d'une couche d'argent E interrompue par un intervalle ou fente rectangulaire F de quelques millimètres de largeur, parallèle à la génératrice du corps tubulaire CT constituant le primaire à une seule spire de grande largeur de ce convertisseur de tension à couplage capacitif CCTT. Sa surface latérale extérieure est garnie d'un bobinage par exemple en fils de Litz pour constituer le secondaire. Le nombre de spires S de cet enroulement extérieur constituant le secondaire donne le coefficient multiplicateur de tension. Pour des raisons d'encombrement, le condensateur série Cl peut être placé à l'intérieur du corps tubulaire CT du convertisseur tubulaire de tension CCTT. Ce système résonant ne possède pas de couplage magnétique comme les générateurs de l'état de la technique. Le transfert d'énergie s'effectue simplement et uniquement par effet capacitif. La couche d'argent E constituant le primaire joue le rôle de première électrode alors que les spires S du bobinage extérieur constituent autant d'électrodes formant avec cette première électrode autant de deuxièmes électrodes 2867916 11 pour constituer autant de capacités individuelles en série. Le convertisseur capacitif tubulaire de tension CCTT assure la multiplication de tension dans le rapport souhaité et un transfert uniquement capacitif de l'énergie de haute tension et de haute fréquence avec le moins possible de pertes. De plus, l'utilisation du couplage capacitif permet de diminuer notablement les dimensions sans pour autant rencontrer de problèmes liés à l'isolement électrique. Ce générateur présente une faible résistance interne grâce à la faible résistance interne de son alimentation à découpage. Son courant de sortie peut ainsi monter à des valeurs assez fortes par exemple quelques centaines d'ampères utiles dans les applications par traitement de surface au plasma atmosphérique. Le fonctionnement du générateur électrique selon l'invention est contrôlé par une commande générale par microcontrôleur MICROGER assurant d'une part la commande de fonctionnement et d'autre part les contrôles de sécurité comme par exemple la mesure du courant et sa limitation dans l'alimentation à découpage et la mesure de la tension délivrée par l'alimentation à découpage en vue de sa régulation. Comme on l'aura compris, le générateur électrique selon l'invention se particularise aussi par les deux caractéristiques d'autopilotage et de régulation suivantes. La première concerne la boucle dite d'auto-pilotage entre la sortie de l'oscillateur et la commande générale par le microprocesseur MICROGER. Selon cette boucle, on mesure la tension de sortie pour réaliser le maintien de la résonance et le réajustement de la haute tension de sortie. Une autre boucle entre l'alimentation à 2867916 12 découpage et le microcontrôleur permet d'assurer la stabilisation et la régulation de la tension délivrée par cette alimentation au système résonant. Le générateur électrique selon l'invention peut trouver de nombreuses applications industrielles. Les applications en générateur de plasma à l'aide d'un courant gazeux sont particulièrement visées. Il est prévu notamment pour être utilisé pour générer un plasma atmosphérique en vue d'un traitement par plasma d'un objet, d'un corps ou d'un produit et plus particulièrement en vue d'un traitement de surface par plasma d'un objet, d'un corps ou d'un produit. REVENDICATIONS 1. Générateur électrique à faible résistance interne et à haut rendement énergétique présentant une alimentation électrique et un circuit résonant multiplicateur de tension, les deux étant commandés chacun par un pilote caractérisé par une alimentation à découpage à partir du secteur de distribution électrique commandée à une fréquence fixe de découpage, un système résonant multiplicateur de tension à couplage capacitif alimenté par l'alimentation à découpage commandée par un pilote, système dont la sortie est reliée à une ou plusieurs électrode(s) à proximité ou en contact avec un corps, un objet ou un produit, un microcontrôleur de gestion, de contrôle et de commande. 2. Générateur électrique selon la revendication 1 caractérisé en ce que le système résonant est formé d'une impédance inductive L et d'une capacité résultante comprenant un condensateur fixe Cl en série avec un convertisseur de tension à couplage capacitif CCTT. 3. Générateur électrique selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'un condensateur d'ajustage Ca est prévu en parallèle sur les condensateurs Cl et CCTT montés en série. 4. Générateur électrique selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le convertisseur de tension à couplage capacitif CCTT est un corps tubulaire creux CT isolant électrique à surface latérale interne revêtue d'une couche d'argent E à interruption par un intervalle isolant F et à surface latérale externe recouverte d'un enroulement formé d'un certain nombre de spires S déterminant le facteur multiplicateur de tension. 5. Générateur électrique selon la revendication précédente caractérisé en ce que l'isolant électrique formant le corps creux tubulaire CT du convertisseur capacitif tubulaire de tension CCTT est du téflon ou de la céramique. 6. Générateur électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes 1, 2 ou 3 caractérisé en ce que le condensateur fixe Cl du système résonant SYRES est placé à l'intérieur du corps tubulaire du multiplicateur de tension CCTT. 7. Générateur électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le système résonant SYRES est un oscillateur sinusoïdal. 8. Générateur électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le système résonant SYRES est un oscillateur OHT accordé à la fréquence Fr de l'application du traitement. 9. Générateur électrique selon la revendication précédente caractérisé en ce que l'oscillateur est accordé à une fréquence de résonance Fr qui est une radiofréquence. 10. Générateur électrique selon la revendication précédente caractérisé en ce que la fréquence de résonance Fr est comprise entre 1 et 5 Mhz. 11. Générateur électrique selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'alimentation à découpage DECALIM est formée d'un bloc de redressement filtrage REDFIL suivi d'un bloc de découpage CHOP selon un pont en H composé de quatre transistors IGBT. 12. Générateur électrique selon la revendication précédente caractérisé en ce que le pilote de l'alimentation à découpage DECALIM est un générateur d'impulsions fixes ou modulables à la fréquence Fd de découpage. 2867916 15 13. Générateur électrique selon la revendication 11 ou 12 caractérisé en ce qu'il existe une boucle de régulation de la tension de sortie de l'alimentation à découpage DECALIM. 14. Générateur électrique selon la revendication 11 ou 12 caractérisé en ce qu'il existe une mesure et une limitation de l'intensité de l'alimentation à découpage DECALIM. 15. Générateur électrique selon la revendication précédente caractérisé en ce que la fréquence de découpage Fd est de 100 kHz. 16. Générateur électrique selon la revendication 12 caractérisé en ce que le pilote du système résonant est numérique. 17. Générateur électrique selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il existe une boucle d'autopilotage entre le système résonant et le microcontrôleur de gestion et de commande. 18. Générateur électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le générateur est utilisé pour générer un plasma atmosphérique en vue d'un traitement par plasma d'un objet, d'un corps ou d'un produit. 19. Générateur électrique selon la revendication précédente caractérisé en ce que le générateur est utilisé pour générer un plasma atmosphérique en vue d'un traitement de surface par plasma d'un objet, d'un corps ou d'un produit.