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Circuits de puissance pour convertisseurs électroniques à haute fréquence.
L'invention concerne les changeurs de fréquence aux convertisseurs électroniques servant à transformer directement un courant alternatif d'une fréquence en un courant alternatif d'une autre fréquence, de préférence plus élevée. Plus particu- lièrement, l'invention concerne les convertisseurs de fréquence utilisant des valves électroniques à gaz ou à vapeur, grâce auxquelles on peut obtenir un débit en kilowatts plus important que celui économiquement atteint avec des tubes à vide poussé.
L'invention trouve un champ d'application étendu dans le domaine de l'alimentation des fours à induction fonctionnant avec des fréquences de plus ou moins 1. 000 à 2.000 périodes
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par seconde. Dans cette gamme de fréquences les groupes moteur- générateur rotatifs ont un faible rendement et des caractéris- tiques de régulation peu intéressantes, et les tubes oscillateurs à vide poussé ne peuvent être utilisés économiquement.
Dans une forme d'exécution préférée de la présente in- vention, deux groupes de valves électroniques sont prévus, les circuits anodiques de chaque groupe étant connectés aux différentes phases ou lignes du circuit d'entrée, et une barre-omnibus de cathode séparée étant combinée avec un transformateur de sortie ou une réactance dont l'enroulement primaire est muni d'une prise médiane qui est reliéede préférence par l'interméfdiaire d'une self, au point neutre ou point de tension moyenne d'un transformateur de puissance utilisé dans le circuit d'entrée.
La charge ou circuit de sortie à haute fréquence est reliée au transformateur de sortie.
Une autre caractéristique de l'invention est l'emploi d'un condensateur de commutation. de préférence mis en parallèle sur le primaire du transformateur de sortie, suivant un arran- gement tel que celui décrit.
L'on a employé avec succès des convertisseurs élecbro- niques haute fréquence conformes à l'invention, là oùd'autres circuits de puissance se sont avères inutilisables.
La présente invention peut s'appliquer aux valves à gaz à cathode chaude;, ou aux ignitrons c'est-à-dire aux valves à électrodes d'excitation couramment dénommées allumeurs.
Des valves à gaz à cathode chaude appropriées permettront au con- vertisseur électronique de fonctionner avec un bon rendement. dans une gamme de fréquences allant jusqu'à 3.000 cycles, ou plus, là où les installations n'exigent pas de puissances trop élevées. Des ignitrons spéciaux donneront au convertisseur une capacité de débit plus élevée, mais dans les conditions présentes,
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,il ne pourra pas fonctionner à des fréquences supérieures à 1500 ou 2000 périodes par seconde.
L'invention ressortira clairement de la description détaillée suivante de deux formes d'exécution choisies, repré- sentée's, à titre d'exemple, dans les dessins annexés.
Les figures 1 et 2 sont des schémas simplifiés donnant les caractéristiques essentielles de deux systèmes différents de conversion électronique, les commutateurs, régulateurs de tension et autres éléments connus qui ne sont pas nécessaires à la compréhension de la présente invention étant omis.
La figure 1 montre les caractéristiques fondamentales des circuits de puissance et des circuits d'excitation d'un système convertisseur, utilisant six tubes ignitrons, 1 à 6, alimentés par un circuit d'entrée triphasé 7 attaqué lui-même par un transformateur de puissance 8 à fréquence commerciale, dont les enroulements primaires 9 sont reliés en triangle et les enroulements secondaires 10 en zig-zag avec point neutre 11.
Les enroulements secondaires 10 alimentent le circuit d'entrée triphasé 7 des ignitrons 1 à 6.
Les ignitrons sont disposés en deux groupes, 1, 2 et 3 d'une part et 4, 5 et 6, d'autre part. Chaque phase du circuit d'entrée 7 est reliée aux circuits d'anode de deux ignitrons, un dans chaque groupe. Les trois circuits de cathode 15 des tubes 1, 2 et 3 du premier groupe, sont connectés à une barre- omnibus de cathode 16 ; que les trois circuits de cathode 15 des tubes 4, 5 et 6, de l'autre groupe, sont connectés à une autre barre-omnibus de cathode 17.
Conformément à la présente invention, un circuit de charge haute fréquence est connecté aux deux barres de cathode 16 et 17, au moyen d'un transformateur de sortie ou réactance 20 dont l'enroulement primaire 21 a une prise médiane, ce point
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milieu 22 étant relié au point neutre 11 de l'enroulement secondaire 10 du transformateur de puissance 8, de préférence à travers une réactance à courant continu 23 qui réduit la circulation des courants fondamental et harmoniques de haute fréquence dans letransformateur d'alimentation 8, et aide donc à. réduire toute pulsation dans l'onde de tension de sortie à haute fréquence.
Le circuit de sortie 24 du convertisseur est représente comme étant aliments par un enroulement secondaire 25 du trans- formateur de sortie 20 et comme étant relié à un four à induction 26 schématisé par une self 27 et une résistance 28.
Dans la plupart des cas, il faudra utiliser un conden- sateur de commutation 30, pour commuter ou au moins pour aider à commuter en haute fréquence les courants de sortie du con- vertisseur. Comme le montre la figure 1, lecondensateur de commutation 30 relie les deux barres-omnibus 16 et 17 et se trouve donc aux bornes de l'enroulement primaire du transforma- teur de sortie 20. Un second condensateur 31, servant à corriger le facteur de puissance, est d'ordinaire mis aux bornes de la. charge du four à induction 26, c'est-à-dire aux bornes du se- condaire du transformateur de sortie 20.
On a la possibilité d'omettre un des condensateurs 30 ou 31, et d'utiliser le condensateur restant pour remplir le rôle des deux;, mais il faut alors augmenter ses dimensions en conséquence.Il est cependant d'ordinaire plus économique d'employer le condensateur 31 pour amener le facteur de puis- sance de la charge dans le voisinage de l'unité et d'utiliser le condensateur 30 rien que pour la commutation, de manière à charger alternativement, d'abord dans un sens et puis dans l'autre, pendant les demi-périodes successives de la.
fréquence de sortie, coupant le courant de sortie à la fin de chaque demi-
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période de la fréquence de sortie, éteignant donc, ou commutant, les courants de charge parcourant les circuits principaux anode- cathode des divers tubes 1 à 6, suivant le tube qui véhicule le courant au moment considéré.
Lorsque la présente invention est appliquée aux ignitrons, il est préférable d'utiliser un circuit spécial de commande d'exci- tation, qui sera décrit en détail ci-après, mais il est évident que la présente invention n'est pas limitée à un type quelconque de commande d'excitation. Le circuit d'excitation spécial, uti- lisé pour les tubes convertisseurs 1 à 6, est le suivant.
Chaque tube, en plus de son circuit d'anode 14 et son circuit de cathode 15, est pourvu d'une grille de commande ou de protection 33 placée très près de l'anode, un allumeur 35 et une anode ou électrode auxiliaire 36. TJn petit cercle ou point 37 dessiné à l'intérieur de chaque dessin de tube sert à indiquer conventionnellement la présence de gaz ou de vapeur ou d'un autre moyen servant à rendre l'allumeur ou une autre électrode de commande du tube inopérant, au point de vue général, afin d'arrêter l'amorçage du tube, une fois que cet amorçage a débuté. La grille extérieure 34 sert de surface de désionisation à la grille de commande intérieure 33. Les espacements entre la grille et l'anode et entre les deux grilles seront aussi ré- duits que mécaniquement possible, habituellement un quart de pouce (6 mm).
Les grilles très minces seront percées de petits trous, habituellement d'un diamètre entre un huitième et un quart de pouce (3 à 6 mm). Grâce à ces précautions, les grilles commanderont plus facilement les tubes à la cadence haute fréquence.
Les courants d'excitation pour les différents allumeurs
35 des tubes 1 à 6 sont amenés par un groupe de trois transforma- teurs d'excitation monophasés 40 formant circuits d'amorçage et
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six transformateurs d'isolement 41 pour le couplage des allumeurs.
Le nombre d'amorçages manquas peut être réduit, en connectant les transformateurs de couplage des allumeurs 41 par paires en série, de manière à faire amorcer les deux allu- meurs Qui doivent s'amorcer au même moment.La connexion série a l'avantage due, si un des deux allumeurs ne s'amorce pas aussi
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rapidement oue l'8.utre, l'811urneu-:-- à l'amorçage dur reçoit une tension double.
L'effet d'amorçage série peut être obtenu par différents moyens, nar exe-uple, au moyen d'un bobinage d'énuilibrage iF2 à prise médiane, connecté entre chaciae secon - daire du transformateur d'excitation 40 et les deux. tr;:msfor1l3.- teurs de couplage 41 qui alimentent les deux allumeurs 35 oui doivent êtreexcités par cet enroulement du transformateur d'excitation.
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Les enroulements uri'l1Eires des transformateur;? d'excita- tion 40 sont alimentes par une ligne triphasée auxiliaire 43 reliée aux enroulements secondaires d'un transformateur au-
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xi lL,ire À./, dont les enroulements uri:na ires sont reliés au réseau 13.
Jes te 1ms d' a::1Orçage, dans les cycles à la. fréquence d'entrée, sont avancés ou retardés au moyen de selfs à saturation variable 45, :nises en série avec chacun des trois enroulements secondaires des transformateurs à. excitation 40, la saturation de ces selfs pouvant être réglée au moyen d'un enroulement de saturation à courant continu 46, excité par une batterie 47
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par llînLeri,-'-',dîaire d'un rhéostat réglable 48.
Pendant chs<q:ae demi-cycle d'amorçage, la tension fournie car l'enroule,1ent secondaire du transformateur à excitation 40 est formée par un condensateur 49 qui emmagasine l'énergie et qui est mis en parallèle sur le circuit d' excitation de
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l'amorçage. Pour qu'une valve fonctionne, une self à saturation fixe 50 doit être mise en série entre le condensateur 49 et les deux transformateurs de couplage d'allumeur 41 qui sont alimen- tés par ce circuit. A un temps déterminé du demi-cycle,,cette' self à saturation 50 devient saturée, perdant donc subitement son impédance, et permettait au condensateur 49 de décharger une impulsion de courant .importante dans les transformateurs 41 pour le couplage de l'allumeur.
.L'enroulement secondaire de chaque transformateur de couplage d'allumeur 41 ne délivre que les pointes positives de son courant à l'allumeur 35 du tube principal associé faisant partie du groupe de tubes 1 à 6, cette opération se fa.isant au moyen d'un redresseur 51 relié en série. Un chemin de retour pour le courant dû au flux décroissant du transformateur de cou- plage 41 est réalisé de façon connue au moyen d'un redresseur 52 connecté aux bornes du secondaire du transformateur.
Comme la conversion part d'une fréquence relativement basse pour aboutir à une fréquence relativement élevée, chaque période basse-fréquence de conduction de chaque tube, doit être décomposée en un certain nombre de périodes de conduction et de non-conduction à la cadence haute fréquence.
. Les grilles 33 et 34 de chacun des tubes convertisseurs 1 à 6, sont utilisées pour alternativement bloquer et libérer l'amorçage des divers tubes à la cadence de la fréquence de sortie. Les deux grilles 33 et 34 de chaque tube sont alimentées ensemble par la même source à haute fréquence à travers des ré- sistance séparées 53 et 54 eh série avec elles, de façon que les deux grilles puissent assumer des potentiels différents en fonction des courants de grille qui les parcourent.
On peut utiliser, pour alimenter les grilles 33 et 34 à
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la fréquence de sortie désirée, une source convenable rruelconaue de haute fréquence. A titre d'exe=::j>1e, on a représente un géné- rateur c?.'osci:la.-tïcïls 55 Qui est, ou qui peut être d'uy, type usuel n'exigeant pas d'explication détaillée.
Le gêner.", leur ci'osciilz.tioi#s 55 a deux enroulements de sortie 56 et 57 servant à forcer deux circuits à fréquence de sortie de potentiels op- posés, l'un étant positif tandis que l'autre est négatif.
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Les circuits de corjaande de grille cciuprennent également des batteries de polarisation négative respectivement 58 et 59, une de ces batteries de polarisation 58 desservant l'un
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des groupes de tubes convertisseurs l, 2, 3, tandis que l' 2.utre batterie de polarisation 59 dessert l'autre groupe 4, 5, 6.
Comme chacun des deux groupes de tubes convertisseurs a son gropre circuit de cathode 16 ou 17, commun à. tous les tubes de ce groupe, les grille 33 et 34 de tous les tubes de chaque groupe peuvent être alimentées par la même source haute fré-
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quence. Ainsi les grilles des tubes 1, 2, 3 sont alimentées par 7¯'en.rcule,¯ent de sortie à haute fréquence 56, en série avec la batterie de polarisation négative 58; tandis que les grilles
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des tubes 4, 5, 6 sont alimentées par enroulement de sortie à haute fréquence 57, en série avec ld batterie de 'SO13r1SF!tlOïl négative 59.
Dan;', un c #-. ciL' titre e ௠' e x e;#ip 1- e , les bctterics 58 et 59 donna iert i<r.<3 polarisation négative d'environ 100 volts combinée à une tension de pointe de l'oscillateur d'environ
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200 volts exilant aux bornes de chacun des enroule'.pnt de sortie 56 et 57 c'e l'csc5.11,'1teur; il faut re::Lnrcluc1' que 1 inven- tion n'est en rien limitée des valeurs de tension particu- lières.
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C#ll:c l' éi llu:n0ur 35 de chacun des tubes de conversion n'est alimenté qu'une fois par période de fréquence d'entrée,
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et comme le temps pendant lequel cet allumeur est parcouru par un courant n'est qu'une petite partie de la période de fréquence d'entrée, il est évident que la partie de la période de fréquence d'entrée durant laquelle un tube convertisseur peut être amorcé, par l'effet de commande sur les grilles, à la cadence de la haute fréquence, sera limitée à la même petite partie du cycle basse fréquence pendant laquelle l'allumeur est parcouru par le courant, à moins que l'on fasse intervenir des dispositifs appropriés,.L'invention utilise donc, dans ce but, une anode auxiliaire 36 dans chaque tube;
mais à l'opposé des procédés habituels, il est d'ordinaire ou souvent utile de prévoir un large réglage de glissement de phase, pour l'angle d'amorçage, tel qu'au moyen d'un rhéostat 48. Pour que ceci se réalise, l'anode auxiliaire 36 (voir fig. 1) est excitée de façon à maintenir un fort arc d'entretien entre elle et la cathode pendant 120 degrés de la période de fré- quence d'entrée, plus l'angle de commutation à la fréquence d'entrée des tubes, ce qui peut représenter approximativement
10 à 20 degrés.
Ainsi, à la figure 1, les électrodes auxiliaires 36 des six tubes convertisseur(1 à 6, sont alimentées par un groupe de transformateurs monophasés 60 du cirduit d'entretien.
Les trois enroulements primaires des transformateurs du circuit d'entretien sont alimentés par la ligne triphasée auxiliaire 43 à fréquence d'entrée. Chacun des trois transformateurs 60 du circuit d'entretien a un certain nombre d'enroulements secon- daires ; ceux-ci sont représentés sous la forme de deux. groupes d'enroulements reliés en zig-zag 64 et 65, avec points neutres
66 et 67 reliés respectivement aux barres-omnibus de cathode 16 et 17.
Les diverses extrémités de phase de l'enroulement
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zig-zag 64 servent à alimenter les anodes auxiliaires 36 des tubes convertisseurs 1., 2 et 3, par l'intermédiaire de résis- tances séparées limiteuses de courant 68, tandis que les diverses extrémités de phase de l'enroulement zig-zag 65 alimentent les anodes auxiliaires 36 des tubes convertisseurs 4, 5 et 6, par l'intermédiaire de leurs résistances 68 propres.
Dans le but d'obtenir 'tour chacun des tubes convertis- seurs 1 à, 6, une période de conduction pour l'anode auxiliaire égale ou supérieure à 120 degrés de fréquence d'entrée, l'anode auxiliaire 36 de chaque tube est alimentée, non seulement par le circuit de phase usuel, ou extrémité, du transformateur 60 du circuit d'entretien, mais aussi par le premier circuit.
de phase suivant, en parallèle sur le premier, comme indiqué en 69, Dar exemple. Les circuits d'alimentation des anodes Auxiliaires comprennent des redresseurs 70 dans charme circuit en série avec chacune des extrémités de phase des enroulements secondaires 64 et 65 de façon à éviter de court-circuiter les enroulements 'connectés en parallèle et à délivrer uni- quement les impulsions positives de courant des enroulements respectifs.
Au point de vue fonctionnement du convertisseur repré- sent,--', à la figure 1. il faut noter que, quoique les tubes convertisseurs principaux 1 à 6 sont d'un type dans lequel ni les deux grilles 33 et 34 ensemble,ni l'allumeur 35, ni l'anode auxiliaire 36, ne sont capables en générale d'in- terrompre le flot de courart du circuit principal dans aucun des tubes, une fois (,:
.lE' le tube a été amorcé en établissant, à l'intérieur de celui-ci, un arcentre l'anode principaleet la cathode, un circuit de charge est prévu qui est capable d'interrompre périodiquement le courant du tube ou l'are
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principal dans le tube, à la ca dence de la fréquence de sortie.
Dans le circuit représenté à la figure 1, cette interruption de courant ou opération de commutation est réalisée en ordre principal par le condensateur 30 connecté en parallèle.
Il faut remarquer dans les circuits de commande que chacun des tubes convertisseurs principaux 1 à 6 s'amorce une fois à chaque période de fréquence d'entrée, par l'alimenta- tion du circuit de son allumeur. Lorsque l'allumeur 35 d'un tube quelconque établit un arc d'amorçage, l'anode auxiliaire
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36 de ce tube s'amorce pratiquement"instantanément et forme un arc d'entretien qui est maintenu pendant 120 degrés de fré- quence d'entrée auxquels il faut ajouter le temps de commuta- tion à fréquence d'entrée des tubes, ou pendant un autre laps de temps quelconque nécessaire ou.désirable.
Le temps de com- mutation des tubes est le temps nécessaire pour faire passer l'arc principal d'une phase d.'entrée à une autre, et.ce temps de commutation peut être raccourci en utilisant un transforma- teu.r réseau8 à faible réactance, ou par d'autres moyens.
Quoique les grilles 33 et 34 ne sont pas' capables, en général, d'interrompre le courant principal dans leur tube, une fois que cet arc principal est établi, elles peuvent néanmoins empêcher l'établissement de l'arc principal, si les grilles sont suffisamment négatives par rapport à la cathode du tube, ou si la grille de commande 33 a un potentiel plus négatif qu'un certain potentiel critique.
Il faut remarquer que les grilles 33 et 34 de chaque tube sont commandées'par une combinai- son de polarisation négative et de tension haute fréquence mo- nophasée, de sorte'que, pendant une partie de.chaque période haute fréquence, les grilles sont suffisamment négatives pour bloquer l'amorçage ou allumage de l'arc principal dans le tube, après quoi, à un moment déterminé de chaque cycle haute fré-
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quence, les grilles deviennent assez positives que pour permettre l'amorçage du tube, pourvu qu'il existe un arc d'amorçage soit à. l'allumeur 35 soit à.
l'électrode auxiliaire 36, et pourvu qu'en même temps l'anode principa.le du tube soit suffisamment uositive par rapport à la cathode, au moment voulu.
Les grilles des tubes d'un groupe de tubes convertis- saurs, notamment les tubes 1, 2 et 3, deviennent suffisamment positives pour "libérer" les tubes respectifs pour l'amorçage pendant les demi-périodes de la fréquence de sortie, tandis que les grilles des tubes de l'autre groupe, 4, 5 et 6, "libèrent" leurs tubes pendant les demi-périodes de la fréquence de sortie négatives. Ainsi, un ou plusieurs tubes d'un groupe véhiculent du courant rendant une demi-période de la fréquence de sortie;, tandis qu'aucun tube de l'autre groupe ne laisse passer du courante le circuit se fermant par la connexion à courant con- tiru 22-23. La connexion en zig-zag des secondaires 10 du transformateur réseau empêche le courant continu de saturer le transformateur.
Pendant la demi-période à haute fréquence suivante;, le premier groupe de tubes n'est pas conducteur, tandis que le second groupe conduit le courant cette fois.
Pendant cet échange, lorsqpe de la puissance est dé- livrée alternativement par la barre-omnibus 16 et la barre- omnibus 17 de cathode, à la cadence haute fréquence, leconden- sateur 30 connecté en parallèle se charge et se décharge alternativement d'abord¯ dans une direction et ensuite dans l'autre, en association avec le chemin de retour à courant continu 22-23 de façon à créer un. chemin de retour pour n'im- porte quel groupe de tubes oui conduit le courant à un moment donnée et à réaliser l'interruption du courant haute fréquence
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lorsque l'autre groupe de tubes est libéré,
pendant une demi- période quelconque de haute fréquence de sortie.
La figure 2 représente une variante du circuit de puis- sance, suivant laquelle on utilise une opération de conversion hexaphasée. Une alimentation hexaphasée est obtenue par l'enrou- lement secondaire 71 hexaphasé connecté en étoile du transfor- mateur de puissance 72, dont l'enroulement primaire triphasé en tria.ngle 73 est relié à une ligne triphasée à fréquence com- merciale 13.
Il y a douze tubes de T1 à T12, formant deux groupes ayant leurs barres-omnibus de cathode séparées 16 et 17. Les tubes T1 à T6 constituent le premier groupe dont les connexions d'anode 14 sont reliées aux phases respectives de l'enroulement 71 du transformateur de puissance hexaphasé. Les tubes T7 à T12 constituent le second groupe dont les circuits d'anode 14 sont également connectés aux phases respectives de l'enroule- ment secondaire hexaphasé 71. Donc une des extrémités de se- condaire est reliée aux circuits d'anode 14 des tubes T1 et T7 du premier et second groupes respectivement. La phase voisine suivante du transformateur est connectée aux circuits d'anode 14 des tubes T2 et Tg, respectivement, etc.
Tous les circuits de cathode 15 des tubes T1 à T6 du premier groupe sont reliés à la barre-omnibus de cathode 16, tandis que tous les circuits de cathode 15 des tubes T7 à T12 sont connectés à la barre-omnibus de cathode 17.
Le circuit de-charge, à la figure 2, est connecté aux deux barres de cathode 16 et 17, respectivement, les mêmes qu'à la figure 1, excepté que le côté primaire du circuit de charge n'a pas le condensateur 30 de la figure 1, pour mon- trer que son rôle peut être assumé par un condensateur 31 de
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circuit secondaire plus grand en parallèle sur la charge.
Les circuits de commande, à la. figure 2, sont essentielle- ment ceux de la figure 1 de sorte qu'il suffit de faire remarquer qu'à la figure 2, les six transformateurs d'isolement 41 qui alimentent les allumeurs sont physiquement mis en série par paires et connectés aux enroulements secondaires des trois trans- formateurs d'excitation 40, au lieu d'utiliser des selfs d'équi- librage 42 comme à la. figure 1.
A la fig. 2, comme il y a douze tubes convertisseurs, connectes en deux groupes hexaphasés, au lieu de six tubes;, connectes en deux groupes triphasés, comme à la figure 1, les enroulements secondaires des transformateurs d'isolement 41 pour le couplage des allumeurs.. ainsi que les enroulements secondaires des transformateurs 60 du circuit d'en- tretien sont des enroulements à prise médiane dont chacun dessert deux allumeurs ou anodes auxiliaires diamétralement opposés, sui- vant le cas, comme on le comprendra aisément.
A la figure 2, également, les circuits d'entretien sont disposés de façon que chaque anode auxiliaire soit alimentée nar une phase seulement des transformateurs 60 du circuit d'entretien, et les redresseurs 69 du circuit d'entretien ont été omis n'étant plus nécessaires. Ceci donne un circuit d'entretien, à la Fig. 2, cui ne restera pas alimente aussi longtemps nue le circuit d'entretien de la figure 1, ce qui signifie eue le système de la figure 2 ne pourra pas voir sa tension réglée dans une étendue aussi la.rgeau moyen du rhéostat 48 de la. self à saturation; qu'elle ne l'était à la figure 1.
Le système de la figure 2 convient aux applications qui n'exigent pas la gamme supplémentaire de régulation de tension.