Brevet FR2913544A1 — publié le 20080912

GENERATEUR DE CHAUFFAGE ETAT SOLIDE PAR HAUTE FREQUENCE PROTEGE CONTRE LES SURINTENSITES L'invention concerne les générateurs haute fréquence industrielle état solide. Ces générateurs peuvent être utilisés notamment dans des dispositifs de chauffage par induction électromagnétique, par pertes diélectriques ou par plasma. Les générateurs de chauffage alimentent en haute fréquence un circuit résonnant couplé électromagnétiquement à une pièce à chauffer. Le chauffage par induction électromagnétique consiste à produire l'échauffement d'une pièce conductrice par la circulation de courants induits par un champ magnétique. Ce moyen permet de chauffer la pièce dans sa masse sans contact direct avec la source d'énergie. La pièce à chauffer (ou induit) est entourée d'au moins une boucle de circulation de courant (ou inducteur). Les fréquences de travail du générateur sont comprises entre quelques dizaines de kilohertz et quelques mégahertz. Le chauffage par induction électromagnétique est utilisé largement dans l'industrie et dans le domaine scientifique. Dans l'industrie, il est utilisé notamment en métallurgie pour affiner des métaux, pour traiter thermiquement des pièces métalliques ou pour produire des tubes soudés en continu. Le chauffage par pertes diélectriques consiste à produire l'échauffement d'une pièce isolante en provoquant des pertes dans sa masse, à partir d'un champ électrique alternatif. La pièce à chauffer est un isolant médiocre. Elle est placée entre deux armatures conductrices alimentées par une source alternative. On crée un condensateur dont le diélectrique est la pièce à chauffer. Les générateurs utilisés ont généralement des fréquences de travail plus élevées que celles des générateurs de chauffage par induction électromagnétique. Elles peuvent être comprises entre quelques dizaines de mégahertz et quelques gigahertz. Ce mode de chauffage s'utilise dans l'industrie du bois pour le séchage ou le collage, dans l'industrie textile ou dans la fabrication ou le façonnage de matières plastiques. Le chauffage par plasma consiste à ioniser un milieu gazeux pour le transformer en plasma. L'énergie cinétique des électrons se transforme en chaleur. II se produit une élévation considérable de température. La pièce à chauffer est placée dans le plasma. La transformation du milieu gazeux en plasma est obtenue par l'émission d'une antenne. Les fréquences de travail du générateur sont comprises entre 1 mégahertz et quelques dizaines de mégahertz. Le mode de chauffage est utilisé dans de nombreuses applications industrielles telle que la fusion de produits réfractaires, la synthèse chimique etc.. . La charge du générateur de chauffage est un circuit résonant couplé io électromagnétiquement à la pièce à chauffer et équivalent soit à un circuit R, L, C parallèle, soit à un circuit R, L, C série. Le coefficient de surtension Q du circuit résonant est élevé et le désaccord est facile au voisinage de la fréquence de résonance. L'impédance de charge du générateur de chauffage est 15 essentiellement variable car elle dépend des caractéristiques des éléments constituant le circuit résonant et notamment du matériau de la pièce à chauffer, de leurs dimensions et de leur position relative. Cette position est importante surtout si la pièce à chauffer est en mouvement, par exemple si c'est une plaque de tôle chauffée par induction que l'on roule et que l'on 20 soude en continu. Dans les générateurs de chauffage état solide, amplificateur de puissance connecté au circuit résonnant doit pouvoir fournir une puissance haute fréquence pouvant varier entre quelques centaines de kilowatts à plusieurs mégawatts. Un seul module élémentaire à transistors ne peux pas 25 fournir une telle puissance. Un ensemble de modules élémentaires à transistors sont connectés en parallèle pour fournir la puissance totale nécessaire au chauffage. La figure 1 représenté un générateur de chauffage de l'état de l'art 30 comportant des tels modules couplé directement en parallèle. Le générateur de la figure 1 comporte un étage de puissance 10 ayant n modules élémentaires M1, M2,...M i,....M(n-1), Mn à transistors couplés directement en parallèle sur une sortie S de l'amplificateur. L'étage de puissance 10 est connectée par sa sortie S de puissance 35 haute fréquence à une charge 12 comportant un inducteur 14 pour le chauffage d'une pièce 16. L'inducteur 14 est une bobine couplée à la pièce 16. Une capacité de compensation 20 en parallèle avec la bobine réalise un circuit résonant à la fréquence d'induction. Un générateur RF 24 fourni une tension haute fréquence à l'entrée de l'amplificateur alimentant les entrées haute fréquence des n modules de l'étage de puissance. Une alimentation AL 26 de puissance, de tension Vcc, alimente l'ensemble des n modules à transistors de l'amplificateur. Dans les générateurs de chauffage, le générateur RF 24 est un oscillateur contrôlé en tension (OCT) dont la fréquence peut être contrôlée pour ajuster le déphasage entre le courant I haute fréquence dans la charge et la tension U à ses bornes. Ce déphasage doit être contrôle en fonction des variations d'impédance de la charge à fin de maintenir un bon rendement et la fiabilité de l'étage de puissance état solide. Dans les générateurs de l'état de l'art comportant un étage de puissance état solide, le courant global I haute fréquence fournie par l'étage de puissance est liée à l'impédance de charge 12 qui, comme cela a été précisé, peut varier dans des fortes proportions selon la nature de la pièce 16 et son mouvement dans l'inducteur 14. Une trop faible impédance ramenée sur la sortie S de l'étage amplificateur peut provoquer une surintensité du courant I haute fréquence fournie par l'amplificateur et la destruction des transistors des modules. Dans tous les cas la puissance ne doit pas être interrompue lorsque le générateur de chauffage est en exploitation. Dans les générateurs de chauffage état solide de l'état de l'art, le couplage des modules de puissance est réalisé en direct et en parallèle. Lors d'une surintensité en sortie S haute fréquence de l'étage, la seule possibilité de protéger les modules à transistors consiste à réduire la tension d'alimentation Vcc de l'alimentation AL 26 de puissance, par exemple, par un asservissement de cette tension d'alimentation Vcc à la valeur du courant I. L'inconvénient majeur de cette solution est la vitesse de réaction réduite d'un tel asservissement, de l'ordre de plusieurs dizaines de millisecondes, vitesse insuffisante pour protéger efficacement les transistors. Un autre inconvénient majeur est la nécessité d'utiliser d'une alimentation réglable comportant des thyristors et par conséquent de coût élevé. En outre l'utilisation d'éléments actifs de puissance pour contrôler la tension d'alimentation Vcc en charge diminue le rendement global du générateur de chauffage. A fin d'améliorer les performances et la fiabilité des générateurs état solide, l'invention propose un générateur de chauffage par haute fréquence comportant un amplificateur état solide ayant une pluralité de n modules à transistors, M1, M2, ...Mi,....M(n-1) Mn, avec i compris entre 1 et n, l'ensemble des modules fournissant un courant haute fréquence I sous une tension U à un circuit résonnant couplée électromagnétiquement à une pièce à chauffer. Chacun des n modules fournit un potentiel haute fréquence (u1, u2, ...ui,...un) entre deux bornes A et B de sortie haute fréquence du module, le potentiel de la borne A étant supérieur au potentiel de la borne B. Les dits modules sont connectés en série avec la charge, une borne A d'un module Mi étant connectée à une borne B d'un module précédent M(i-1), les deux bornes libres de l'ensemble des modules connectés en série, étant connectées au circuit résonnant. Avantageusement le générateur haute fréquence, selon l'invention, comporte des moyens de commande des modules configurés pour mettre hors service un ou plusieurs modules de l'amplificateur de telle façon à ne pas dépasser un courant maximurn Imax du courant I dans le circuit résonnant, le générateur de chauffage se comportant, lorsque le seuil de courant maximum Imax est atteint, en générateur de courant. Dans une réalisation, les moyens de commande comportent un calculateur UC ayant une première zone mémoire comportant un programme pour déterminer les modules à mettre hors service, une deuxième zone de mémoire pour enregistrer des consignes telles que courant maximum Imax du courant I dans le circuit résonnant à ne pas dépasser en sortie de l'amplificateur.35 Dans une autre réalisation, les moyens de commande reçoivent une information de mesure du courant I dans le circuit résonnant et fournissent des signaux de commande de mise hors service de modules. Dans une autre réalisation, les moyens de commande sont configurés pour mettre en service (n-k) modules nécessaires à la fourniture du courant I dans le circuit résonnant, parmi le nombre n total des modules de l'amplificateur, k étant les modules hors service, le générateur se comportant comme un générateur de tension U pour un courant inférieur au courant maximum Imax. Dans une autre réalisation, les moyens de commande sont configuré pour changer les k modules choisis hors service, parmi le nombre n total des modules de l'amplificateur, après une période de temps T prédéfinie. Dans une autre réalisation, les moyens de commande sont configurés pour déplacer les k modules hors service le long d'une ligne d'amplification matérialisée par le premier M1 et le dernier Mn module amplificateur de l'étage d'amplification. 20 Dans une autre réalisation, l'amplificateur est alimenté par une alimentation non régulée comportant un transformateur, au moins un pont redresseur connecté au secondaire du transformateur et un circuit de filtrage en sortie du pont redresseur. Un principal but du générateur de chauffage état solide, selon l'invention, est d'obtenir une très grande fiabilité de fonctionnement du générateur et ainsi obtenir une grande disponibilité et un faible coût de maintenance. 30 L'invention sera mieux comprise à l'aide d'exemples de réalisation en références aux figures indexées dans lesquelles, - la figure 1, déjà décrite, représente un schéma de principe d'un générateur de chauffage de l'état de l'art ; 25 - la figure 2 représente un synoptique d'un exemple de réalisation d'un générateur de chauffage, selon l'invention. La figure 2 représente un synoptique d'un exemple de réalisation 5 d'un générateur de chauffage état solide, selon l'invention. Le générateur de chauffage de la figure 4 comporte : - un amplificateur de puissance à transistors 30 ayant une entré E attaquée par un signal d'entrée Ve généré par un générateur haute fréquence RF 32 et une sortie S fournissant au circuit résonnant 12 (ou io charge du générateur) (voir figure 1) la puissance de chauffage de la pièce 16, - une alimentation 36 en courant continu de tension Vcc, de l'étage de puissance 30. 15 L'amplificateur 30 comporte, pour fournir au circuit résonnant 12 la puissance totale de chauffage nécessaire, un ensemble de n modules amplificateurs à transistors, M1, M2, ...Mi,....M(n-1) Mn, avec i compris entre 1 et n, couplés en série. Dans la figure 2 un module Mi est représenté partiellement montrant 20 l'étage de sortie du module qui comporte un transformateur RF de sortie Si. Le transformateur de sortie Si de chacun des modules comporte un enroulement primaire Ep et un enroulement secondaire Es couplés électromagnétiquement. Une structure Ti de commutation, de type MOS, est connectée aux 25 bornes de l'enroulement primaire Ep du transformateur de sortie Si. La structure Ti peut être commandée par des moyens de commande MC 40 pour être mise dans un état saturé et court-circuiter l'enroulement primaire Ep du transformateur Si. Lorsque l'enroulement primaire Ep du transformateur est court- 30 circuité par la structure Ti, le module Mi ne fournit aucun puissance en sortie. L'enroulement secondaire Es comporte deux bornes de sortie, une borne A et une borne B. Le module en service, le potentiel de la borne A est considéré comme étant supérieur au potentiel de la borne B. Les moyens de commande 40 sont configurés pour commuter les 35 structures de commutation T1,T2,...Ti, Tn des n modules élémentaires, soit pour être dans un état sature, (ui=o), soit pour être en fonctionnement et fournir le potentiel ui entre les bornes A et B. A cet effet, les moyens de commande comportent un calculateur UC 42 ayant une première zone mémoire Mml comportant un programme pour déterminer les modules à mettre en service ou hors service et un deuxième zone de mémoire Mm2 pour enregistrer des consignes telle que le courant nominal de fonctionnement ln et le courant maxirnum Imax à ne pas dépasser en sortie de l'amplificateur. En fonctionnement normal, (ou en service) le module élémentaire Mi fournit un potentiel de sortie ui entre les bornes A et B du transformateur Si. Selon une caractéristique principale de l'invention, l'ensemble des modules de l'étage de puissance 30 sont connectés en série avec le circuit résonnant 12 de chauffage, une borne A d'un module Mi étant connectée à une borne B d'un module précédent M(i-1), les deux bornes libres de l'ensemble des modules connectés en série, étant connectées au circuit résonnant 12. Dans cette configuration, le courant I dans le circuit résonnant 12 traverse tous les enroulements secondaires Es en série de l'ensemble des 20 modules, M1, M2, ...Mi,....M(n-1) Mn. La tension U aux bornes de la charge est la somme vectorielle des tensions élémentaires u1, u2, ...ui,....un, aux bornes des n modules en série. 25 Nous allons par la suite décrire le fonctionnement du générateur de chauffage selon l'invention. Dans cette réalisation le courant I fourni par l'étage de puissance ne devra pas dépasser une valeur maximale Imax (courant dans la consigne Mm2 du calculateur UC). 30 Soit Zn l'impédance nominale de la charge à un instant donné, le courant nominale In dans la charge s'exprime par la relation : In = Un / Zn Un étant la tension nominale correspondante. Un certain nombre de modules sont mis en service par le calculateur UC en agissant sur les moyens de commande 40 des modules à fin de générer par l'amplificateur, le courant In de chauffage necessaire. En supposant, dans un cas d'exemple, que les tensions générées par les modules élémentaires sont identiques et en phase, soit u cette tension : u=u1=u2=...ui,...=un, le nombre de modules Nm à mettre en service sera : Nn = Un /u to Nn étant, par exemple, le nombre entier supérieur à la valeur la plus proche de Un /u. Le courant dans la charge à impédance constante Zn sera fonction du nombre de modules mis en service. Le calculateur est configuré pour 15 ajuster le nombre de modules à mettre en service pour obtenir le courant nominal I souhaité. Le générateur se comporte comme un générateur de tension U pour un courant inférieur au courant maximum de consigne Imax. 20 Les moyens de commande sont configurés, lorsque l'impédance Z de la charge (circuit résonnant) 12 varie, pour que le courant I en sortie de l'amplificateur ne dépasse pas la valeur de courant maximum Imax de consigne. Le générateur de chauffage se comporte alors en générateur de courant. A cet effet le calculateur LC 42 met hors service le nombre de 25 modules nécessaires pour baisser la tension U à une valeur Um telle que ce courant maximum Imax ne soit pas dépassé. Le générateur de chauffage comporte un transformateur de courant TC en série avec la charge 12 fournissant la valeur instantanée lm du courant I dans la charge. L'information lm de courant est appliquée à une 30 entrée Ec du calculateur UC qui détermine le nombre de module à court-circuiter ou à mettre en service. Dans une réalisation particulière donnée à titre d'exemple, le générateur est un générateur pour le soudage de pièces. Le générateur 35 d'une puissance de sortie haute fréquence de 15Kw alimenté une charge sous une tension U de 400V. Dans cet exemple de réalisation le nombre de modules à transistors est de n=10 de 15KW de puissance haute fréquence chacun, couplés en série, selon l'invention, les transformateurs Si ayant un rapport de transformation de 1/1. Le courant I dans la charge sera donc de I=375A lorsque tous les modules seront actifs. Pour 150Kw de puissance dans la charge, cela correspond à une impédance de charge Z de 1,06 ohm. (Z=400V/375A). Fixons-nous un courant maximum Imax de 400A à ne pas dépasser. Cette valeur Imax sera le seuil pour supprimer (ou mettre hors service) un certain nombre k de modules de l'amplificateur. Lors du soudage, l'impédance de la charge peut diminuer de 50%, soit Z=0.5 ohm. La limite de courant étant de 400A (fonctionnement en générateur de courant), la tension totale Um sera donc de Um=400A.0.5= 200V. En sachant que la tension élémentaire ui des modules est de 40V par module (soit U=40V.10= 400v), pour avoir 200V, il conviendra de laisser en service 5 modules, avec 5 modules hors service, k=5. En résumé, la tension de sortie U variera par pas de 40V dans ce cas. Il va de soit que si l'on désire une définition plus fine, il pourra être mis en place "des poids de tension" plus faible (ou une valeur de ui plus faible). Cela peut être réalisé soit par des transformateurs qui ont un nombre d'enroulements différents de l'ensemble des transformateurs, ou soit à l'aide d'une alimentation variable sur un seul module. La suppression ou la mise en service des modules se fait en court-circuitant l'enroulement primaire Ep du ou des modules en question par le générateur de chauffage lui-même. En régime normal, il génère sa tension RF (en phase avec tout les autres). Dans une autre réalisation du générateur haute fréquence selon l'invention, un changement des modules en service peut être réalisé afin de repartir la chaleur sur l'ensemble des n modules de l'amplificateur. Par exemple, n étant le nombre total des modules et (n-k) le nombre de modules en service fournissant la puissance souhaitée à la charge (k est le nombre de modules hors service ne fournissant pas de puissance, les k modules non utilisés peuvent être rendus actifs pour remplacer des modules actifs pendant un certain temps T qui deviennent inactifs à leur tour pendant ce même temps pour maintenir le même courant total I de sortie. A cet effet les moyens de commande 40 du générateur de chauffage sont configuré pour effectuer une mise en service de (n-k) modules nécessaires à la fourniture du courant I nominale à la charge, parmi le nombre n total des modules de l'amplificateur, k étant les modules hors service. Les k modules choisi sont changés par l'unité de calcul UC 42 après une période de temps T prédéfinie. Les modules k hors service peuvent être déplacés le long d'une ligne 10 d'amplification matérialisée par le premier 1 et le dernier n amplificateur de l'étage d'amplification. Par exemple dans le cas pratique décrit précédemment d'amplificateurs comportant n=10 modules au total dont (n-k)=8 modules 15 actifs en fonctionnement nominal, toutes les T=0.5 seconde, les modules non utilisés (k=2 modules) peuvent être rendus actifs. Visuellement les modules non actifs se déplaceront le long de la ligne d'amplification. L'intérêt d'un tel générateur, selon l'invention, réside dans son 20 adaptation instantanée à des variations de charge (partie réelle) rapide pouvant détruire par surintensité les modules à transistors. La commutation des modules est effectuée par les moyens de commande en quelques dizaines de microsecondes. Un autre avantage du générateur de chauffage selon l'invention 25 réside dans l'utilisation d'une alimentation non régulée 36 de tension d'alimentation Vcc comportant un transformateur 50, un pont redresseur 52 connecté au secondaire du transformateur 50 et un circuit de filtrage 54, alimentation bien plus fiable que les alimentations régulées nécessaires au fonctionnement des générateurs de l'état de l'art. 30 Dans une variante de l'alimentation non régulée de tension Vcc, la suppression du transformateur 50 peut être possible en connectant directement le pont redresseur au réseau de distribution. La suppression du transformateur 50 apporte une réduction de coût supplémentaire. Il conviendra, dans ce cas de liaison directe au réseau, de prendre les précautions d'usage vis à vis de l'isolement galvanique pour la sécurité du personnel. Les variations de courant I dans la charge dues à des éventuelles variations de tension d'alimentation Vcc non régulée se trouvent aussi 5 compensées par l'action de commutation des modules par le calculateur UC. Une telle invention s'applique notamment au domaine de la haute fréquence industrielle (HFI) où la fiabilité est demandée. Un étage de puissance état solide d'un générateur HFI peut comporter plusieurs 10 centaines de modules à transistors d'où l'importance de fiabiliser les modules. 15 20 REVENDICATIONS 1. Générateur de chauffage par haute fréquence comportant un amplificateur état solide (10, 30) ayant une pluralité de n modules à transistors, M1, M2, ...Mi,....M(n-1) Mn, avec i compris entre 1 et n, l'ensemble des modules fournissant un courant haute fréquence I sous une tension U à un circuit résonnant (12) couplée électromagnétiquement à une pièce à chauffer (16), caractérisé en ce que, chacun des n modules fournissant un potentiel haute fréquence (u1, u2, ...ui,...un) entre deux bornes A et B de sortie haute fréquence du module, le potentiel de la borne A étant supérieur au potentiel de la borne B, les dits modules sont connectés en série avec la charge, une borne A d'un module Mi étant connectée à une borne B d'un module précédent M(i-1), les deux bornes libres de l'ensemble des modules connectés en série, étant connectées au circuit résonnant. 2. Générateur haute fréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de commande (40) des modules configurés pour mettre hors service un ou plusieurs modules de l'amplificateur de telle façon à ne pas dépasser un courant maximum Imax du courant I dans le circuit résonnant, le générateur de chauffage se comportant, lorsque le seuil de courant maximum Imax est atteint, en générateur de courant. 3. Générateur haute fréquence selon la revendication 2, caractérisé en ce les moyens de commande (40) comportent un calculateur UC (42) ayant une première zone mémoire (Mml) comportant un programme pour déterminer les modules à mettre hors service, une deuxième zone de mémoire (Mm2) pour enregistrer des consignes telles qu'un courant maximum Imax du courant I dans le circuit résonnant (12) à ne pas dépasser en sortie de l'amplificateur. 4. Générateur haute fréquence selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les moyens de commande (40) reçoivent une information de mesure du courant I dans le circuit résonnant et fournissent des signaux de commande de mise hors service de modules. 5. Générateur haute fréquence selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les moyens de commande (40) sont configurés pour mettre en service (n-k) modules nécessaires à la fourniture du courant I dans le circuit résonnant, parmi le nombre n total des modules de l'amplificateur, k étant les modules hors service, le générateur se comportant comme un générateur de tension U pour un courant inférieur au courant maximum Imax. 6. Générateur haute fréquence selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les moyens de commande (40) sont configurés pour changer les k modules choisis hors service, parmi le nombre n total des modules de l'amplificateur, après une période de temps T prédéfinie. 7. Générateur haute fréquence selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que les moyens de commande sont configurés pour déplacer les k modules hors service le long d'une ligne d'amplification matérialisée par le premier M1 et le dernier Mn module amplificateur de l'étage d'amplification. 8. Générateur haute fréquence selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le module comporte un étage de sortie RF ayant un transformateur de sortie Si comportant un enroulement primaire Ep et un enroulement secondaire Es couplés électromagnétiquement, une structure Ti de commutation, de type MOS, connectée aux bornes de l'enroulement primaire Ep du transformateur de sortie Si, pouvant être mise, par les moyens de commande MC (40), dans un état saturé et court-circuiter l'enroulement primaire Ep du transformateur Si. 9. Générateur haute fréquence selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'enroulement secondaire Es comporte les deux bornes de sortie du module, la borne A et la borne B. 10. Générateur haute fréquence selon l'une des revendications 1 à 9, 35 caractérisé en ce que l'amplificateur est alimenté par une alimentation nonrégulée (36), de tension d'alimentation Vcc comportant un transformateur (50), au moins un pont redresseur (52) connecté au secondaire du transformateur (50) et un circuit de filtrage (54).