Dispositif de commande du courant d'alimentation d'un appareil de chauffage par induction
La présente invention concerne un dispositif de commande du courant d'alimentation d'un appareil de chauffage par induction, comprenant au moins une paire d'éléments commutateurs statiques branchés pour commander alternativement le passage du courant, à partir d'un circuit d'alimentation commun aux deux éléments de cette paire et relié à une source monophasée ou à une phase d'une source polyphasée, dans deux voies alimentant en sens inverse l'enroulement primaire d'un transformateur, une inductance étant branchée en série sur une branche de circuit commune aux deux dites voies, et des moyens étant prévus pour enclencher et déclencher séquentiellement ces éléments commutateurs statiques pour les rendre tour à tour et compémentairement conducteurs et non conducteurs.
Actuellement, la majorité des dispositifs nécessitant une alimentation en puissance à moyenne fréquence, comme par exemple les fours à induction, sont alimentés par des machines rotatives. Dans de tels dispositifs, la commande des phénomènes transitoires durant le démarrage ne présente pas de problèmes sérieux. Cependant, pour diverses raisons, notamment la réduction des pertes de puissance, des dispositifs à éléments commutateurs statique s, du type susmentionné, sont souvent préférés.
Un des problèmes rencontrés lors de l'utilisation d'inverseurs statiques travaillant sur des charges ayant des caractéristiques de résonance parallèle, comme par exemple les fours à induction munis de classiques condensateurs correcteurs de facteur de puissance connectés en parallèle, consiste en ce que, durant le démarrage, avant que l'amplitude de la tension de charge ait atteint sa valeur de régime permanent, le courant soutiré du circuit d'alimentation de puissance peut augmenter jusqu'à des valeurs anormalement hautes. Subséquemment, de cet à-coup de courant initial, peut résulter une amplitude de tension de charge susceptible de croître jusqu'à des valeurs anormalement hautes avant que l'équilibre soit finalement établi. Les plus sérieux effets de cette surtension concernent généralement l'économie du système.
Ces effets sont les plus désavantageux lorsque le dispositif doit être capable de démarrer avec un amortissement anormalement bas dans le circuit de charge, comme par exemple dans le cas d'un four à induction en condition de bobine vide .
Un procédé qui permet de s'accommoder des surtensions consiste à réduire la tension de fonctionnement du dispositif, soit d'une manière temporaire durant le démarrage, soit d'une manière permanente de telle façon que la tension maximum que les composants sont capables de supporter ne soit pas excédée. Cependant, le premier arrangement implique des mesures particulières, fort onéreuses, du fait de la variation de tension d'alimentation en charge, tandis que le second arrangement entraîne une réduction de la puissance pouvant être obtenue de certains des composants les plus coûteux du dispositif.
Dans le présent exposé, I'expression chauffage par induction doit être comprise comme désignant le chauffage par induction des lopins ou billette, la fusion par induction, et tous les autres procédés similaires.
Le dispositif de commande selon la présente invention est caractérisé en ce que l'inductance est, pour maintenir au moins approximativement constante la valeur du courant délivré par le circuit d'alimentation malgré l'alternance de la conduction d'un des éléments commutateurs avec celle de l'autre, associée à un circuit pourvu de moyens comportant un organe de commutation commandé de manière à modifier les caractéristiques de l'inductance.
Avantageusement, le circuit d'alimentation peut comporter, entre ses bornes positive et négative, une branche résistancecapacité. Lorsque le dispositif de chauffage par induction est muni d'un condensateur correcteur de facteur de puissance qui présente, par l'intermédiaire dudit transformateur, une capacité effective sur lesdits éléments commutateurs statiques, la valeur de la résistance de cette branche résistance-capacité sera du même ordre de grandeur que le rapport entre la tension à pleine charge et le courant à pleine charge délivrés par le circuit d'alimentation, tandis que la valeur de la capacité de cette branche résistance-capacité sera grande par rapport à la capacité effective présentée sur lesdits éléments commutateurs statiques par le condensateur de correction de facteur de puissance.
On peut avoir un circuit d'alimentation à courant continu (par exemple, provenant d'un redresseur connecté à un réseau alternatif) ou également un (voire plusieurs dans le cas d'une source de puissance polyphasée) circuit d'alimentation entièrement à courant alternatif, (ce qui pourra par exemple être le cas avec des cyclo-inverseurs).
Si le dispositif comprend des circuits d'alimentation fournissant ensemble un courant alternatif multiphasé, on aura une dite inductance séparée pour chacune des phases séparées (les éléments commutateurs statiques étant alternativement mis en état conducteur et mis en état non conducteur, et lesdites inductances maintenant sensiblement constant le courant délivré par le circuit d'alimentation), chaque dite inductance étant munie d'un enroulement secondaire connecté à des moyens comportant un dit organe de commutation pour modifier les caractéristiques de cette inductance.
Avantageusement, lesdits éléments commutateurs statiques seron des thyratrons.
Le dessin annexé illustre, à titre d'exemple, des formes d'exécution du dispositif selon l'invention; dans ce dessin:
la fig. 1 est un schéma d'un dispositif connu de commande du courant d'alimentation d'un appareil de chauffage par induction,
la fig. 2 est un diagramme représentant, en fonction du temps, I'évolution des tensions et courants dans le dispositif de lafig. 1,
la fig. 3 est un diagramme représentant, en fonction du temps, les valeurs efficaces de tension et de courant qui peuvent se présenter à la sortie d'un dispositif de commande du courant d'alimentation d'un appareil de chauffage par induction décrit en liaison avec la fig. 1,
la fig. 4 est un diagramme représentant, en fonction du temps, les valeurs efficaces de tension et de courant qu'il serait avantageux d'avoir, en lieu et place des valeurs selon le diagramme de la fig.
3, à la sortie d'un dispositif de commande du courant d'alimentation d'un appareil de chauffage par induction,
la fig. 5 est un diagramme montrant, en fonction du temps, le courant instantané tel qu'il peut se présenter à la sortie d'un dispositif de commande du courant d'alimentation d'un appareil de chauffage par induction décrit en liaison avec la fig. 1,
la fig. 6 est un schéma d'un dispositif de commande du courant d'alimentation d'un appareil de chauffage par induction, qui, conformément à l'invention, comprend, en plus des éléments déjà présentés par le dispositif de la fig. 1, des moyens comportant un organe de commutation pour modifier les caractéristiques d'une inductance qui fait partie du dispositif,
les fig. 7a, 7b, 7c et 7d sont des schémas représentant différentes manières dont ledit organe de commutation représenté à la fig. 6 peut être constitué,
la fig.
8 est un schéma partiel d'un redresseur triphasé compris dans un circuit d'alimentation relié à une source de puissance triphasée et utilisable pour un dispositif de commande de courant d'alimentation conforme à la fig. 6 et pouvant correspondre aux différentes variantes des fig. 7a à 7d,
la fig. 9 représente un circuit équivalent à celui représenté à lafig. 8, et
la fig. 10 est un schéma illustrant un agencement favorable du circuit d'alimentation muni d'un redresseur selon la fig. 8.
En se référant à la fig. 1, on voit que, avec un dispositif connu de commande du courant d'alimentation d'un appareil de chauffage par induction, on a un four à chauffage par induction 1 alimenté depuis l'enroulement secondaire 3 d'un transformateur 5 dont l'enroulement primaire 7 comporte une prise intermédiaire et est connecté par ses extrémités entre les anodes de deux thyratrons 8 et 9. Les cathodes de ces thyratrons 8 et 9 sont mises à la terre. La prise intermédiaire 11 de l'enroulement 7 est connectée à une borne positive d'une source d'alimentation de tension continue 13 par l'intermédiaire d'une inductance 15. Les grilles (ou électrodes de commande) des thyratrons 7 et 9 sont, de façon classique, commandées de manière telle que les deux thyratrons deviennent alternativement conducteurs, par l'intermédiaire d'un circuit de commande de conduction 17.
Un condensateur 19 est connecté aux bornes de l'enroulement 3. Du point de vue électrique, le four 1 peut être représenté par une résistance 21 relativement élevée en parallèle avec un élément inductif 23 à basse inductance.
Le fonctionnement du circuit sera maintenant expliqué en liaison avec la fig. 2 qui est un diagramme représentant, en fonction du temps, les formes d'ondes de tension se présentant dans le circuit de la fig. 1.
En fonctionnement, l'enroulement 3 est parcouru par un courant alternatif (produit d'une manière qui sera décrite plus loin). Le four 1 représente une charge avec un facteur de puissance extrêmement bas et le condensateur 19 laisse passer un courant compensateur déphasé en avance. Ceci rend le circuit secondaire du transformateur 5 semblable à un circuit résonant accordé à une fréquence du domaine audible (1000 à 3000 cycles/seconde).
En vue d'alimenter l'enroulement primaire 7 du transformateur 5 avec un courant à cette fréquence, les thyratrons 8 et 9 sont amenés alternativement en état conducteur par le circuit de commande de conduction 17. Un thyratron peut être rendu conducteur, lorsque la tension sur son anode est plus élevée que la tension sur sa cathode, par application d'une impulsion de tension positive sur sa gnlle; cependant, un thyratron ne cesse pas d'être conducteur tant que la tension sur son anode n'est pas descendue à une valeur plus faible (plus négative) que la tension sur sa cathode. De plus, un intervalle de temps petit mais bien défini est requis pour que l'extinction du thyratron soit complètement achevée.
La fig. 2 montre une série de formes d'ondes, représentées en fonction du temps, qui illustre le fonctionnement du dispositif en régime de fonctionnement stationnaire. La tension V7 aux bornes de l'enroulement primaire du transformateur 5 sera une sinusoide d'une fréquence correspondant approximativement à la fréquence de résonance du circuit secondaire accordé du transformateur 5. Deux cycles complets de la tension sinusoidale V7 sont montrés sur la fig. 2. Cependant, du fait de l'action de l'inductance 15', un courant de valeur au moins approximativement constante est soutiré depuis le circuit d'alimentation. Ce courant est partagé séquentiellement entre les thyratrons. Les courants I8 et I9, respectivement à travers les thyratrons 8 et 9, sont également représentés sur la fig. 2.
Du fait de la nature sinusoidale de la tension aux bornes de l'enroulement primaire 7 du transformateur 5 et du fait que, lorsqu'un thyratron est conducteur, sa tension d'anode est maintenue très proche de sa tension de cathode et donc, dans ce cas, tout près du potentiel de terre, les tensions d'anode des thyratrons effectuent alternativement une excursion positive chacune durant une moitié des cycles. Chaque thyratron est rendu conducteur lorsque la tension sur son anode arrive au voisinage de zéro. Le condensateur 19 est effectivement couplé entre les anodes des thyratrons de par l'action du transformateur 5 qui doit avoir une bonne réponse en haute fréquence si une commutation rapide doit être obtenue. Au moment où l'un des thyratrons est rendu conducteur, sa tension d'anode tombe rapidement jusqu'à une valeur proche de zéro.
En conséquence, du fait de l'action du condensateur 19 aux bornes duquel la tension ne peut varier que comparativement lentement, principalement en fonction du grand courant circulant à travers lui et à travers l'inductance 23, la tension d'anode de l'autre thyratron devient temporairement négative, ce qui éteint ce thyratron, c'est-à-dire le rend non conducteur. Les tensions d'anode V8 et V9 des thyratrons 8 et 9 respectivement sont montrées à la fig. 2.
Les fig. 3 et 4 sont des diagrammes représentant, en fonction du temps, les valeurs efficaces de la tension et du courant de sortie, respectivement telles qu'elles se présentent en fait si des mesures particulières ne sont pas prises pour les modifier, et telles qu'il serait désirable de les avoir. La tension est représentée par une ligne continue, tandis que le courant est représenté par une ligne pointillée. En général, avant de se stabiliser à un niveau constant, la tension oscille atteignant des valeurs de pointe qui peuvent se situer à quelque 60% au-dessus de la tension de fonctionnement normal. Cela est bien montré par la fig. 3. S'il est probable qu'une telle pointe de tension se présente, la tension alimentant les enroulements du four doit être diminuée en vue d'éviter des dommages.
Cependant, il serait plus désirable que la tension suive une évolution comme celle montrée par la ligne continue de la fig. 4. D'autre part, la valeur efficace (racine carrée du carré moyen) du courant délivré par le dispositif est sujette à des pointes désavantageuses, les variations de la valeur efficace du courant ne se présentant avec la plus grande probabilité pas en phase avec les variations de la tension (le déphasage peut même atteindre près de 90O en avance). Ce ne sont pas les pointes (ou maximum) de la valeur efficace du courant qui sont à craindra mais bien, pour des raisons qui seront expliquées plus loin en liaison avec la fig. 5, les minimum de cette valeur efficace du courant.
La fig. 5 est un diagramme, en fonction du temps, montrant le courant passant à travers le thyratron au cours de trois cycles successifs. Le courant théorique passant dans chaque cas est montré par une ligne pointillée. Le courant réel qui circule augmente rapidement jusqu'à une pointe, puis oscille avec un haut degré d'amortissement pour regagner la valeur correcte.
Le niveau autour duquel le courant oscille correspond à sa valeur finale proportionnelle à Ieff, mais l'amplitude d'oscillation est proportionnelle à la valeur efficace de la tension délivrée par le dispositif. De ce fait, si Ieff est faible, il existe une chance notable pour que le oscillations de courant croisent l'axe t et provoquent l'extinction du thyratron. Ainsi, il est hautement désirable que durant la période de démarrage, la valeur efficace (racine carrée du carré moyen) de la tension soit maintenue basse, aussi près de la tension finale que possible, et que le rapport Eeff/Ieff soit maintenu aussi bas que possible jusqu'à ce qu'il atteigne sa valeur finale (lorsque la valeur efficace de la tension aura également atteint sa valeur finale). Ceci est illustré à la fig. 4.
La fig. 6 montre le schéma d'une forme d'exécution d'un dispositif de commande du courant d'alimentation d'un appareil de chauffage par induction constituée d'une manière particulière qui se distingue par des moyens pour modifier les caractéristiques de l'inductance, ce par quoi le résultat précité est obtenu. On voit que cette inductance 15' inclut un enroulement primaire 71 et un enroulement secondaire 73. Une branche de circuit 75, comportant un organe de commutation, est connectée aux bornes de l'enroulement secondaire 73. Par ce moyen, la valeur effective de l'inductance 15' peut être grandement affaiblie durant la période de démarrage, ce qui produit l'effet désiré.
La fig. 7 montre quatre possibilités de schéma pour la branche de circuit 75 connectée sur le secondaire de l'inductance 15' représentée à la fig. 6. Sur la fig. 7a, une résistance 77 est connectée en série avec un transistor de commutation 81. Le transistor 81 peut être utilisé pour établir et rompre le circuit 75, et typiquement il sera rendu conducteur de manière à fermer la branche de circuit 75 durant la période de démarrage, ce qui diminuera la valeur de l'inductance 15', et il sera rendu non conducteur après la période de démarrage, lors du fonctionnement en régime permanent.
Sur la fig. 7b, un thyristor 83 est utilisé en lieu et place du transistor 81 de la fig. 7a et, sur la fig. 7c, un tube à décharge à gaz à vapeur de cadmium 85, ayant une électrode de commande 87, est utilisé en lieu et place du transistor 81 de la fig. 7a. Le fonctionnement de ces deux circuits est le même; dans chaque cas, le circuit est établi au début de la période de démarrage comme cela était le cas du transistor 81 de la fig. 7a, en rendant conducteur le thyristor 83 ou l'élément 85 respectivement. D'autre part, le circuit sera rompu automatiquement par l'extinction respectivement du thyristor 83 ou de l'élément 85 lorsque la tension aux bornes de celui-ci s'inversera et que le courant dans la branche de circuit 75 tombera à zéro.
Puisque ce circuit inclut l'enroulement secondaire 73 de l'inductance 15', il sera inductif, de sorte que les conditions pour l'extinction ne seront pas entièrement remplies durant quelques cycles après le début de la période de démarrage; on peut agencer le circuit de telle manière que la période durant laquelle les conditions d'extinction ne sont pas remplies (c'està-dire la période durant laquelle le circuit comportant la branche de circuit 75 n'est pas encore rompu) ait la durée voulue pour atteindre le résultat recherché.
Sur la fig. 7d, un condensateur 89 et un thyristor 91 sont connectés en série avec la résistance 77; un circuit de charge 93 comprenant une source de tension et un interrupteur sont connectés aux bornes du condensateur 89, une diode 95 étant également connectée aux bornes du condensateur 89.
Dans ce dernier cas, le fonctionnement diffère quelque peu de ce qui a été vu précédemment en ce sens que le condensateur 89 se trouve chargé avant le démarrage. Au début de la période de démarrage, le condensateur 89 est amené à se décharger à travers le thyristor 91 lors de l'allumage (mise en état de conduction) de ce dernier. Lorsque le condensateur 89 est totalement déchargé, le courant continue à circuler dans le circuit à travers la diode 95 jusqu'à ce que la tension aux bornes du thyristor 91 soit inversée et que le courant dans celui-ci tombe à zéro; alors le thyristor 91 s'éteint (c'est-à-dire cesse d'être conducteur) et le circuit est interrompu.
Les moyens (branche de circuit) 75 de la fig. 6 peuvent également être utilisés lorsque l'on arrête le fonctionnement du dispositif. Lorsque ces moyens 75 sont constitués comme décrit en liaison avec la fig. 7a, le transistor 81 est commuté pour prendre son état conducteur durant la période où l'on provoque l'arrêt du dispositif. Lorsque ces moyens 75 sont constitués comme décrits en liaison avec une des fig. 7b, 7c ou 7d7 des impulsions sont appliquées selon le cas au thyristor 83, au tube à décharge à gaz 85 ou au thyristor 91 en vue de rendre celui-ci conducteur et jusqu'à ce qu'un allumage (ou mise en état conducteur) se soit effectivement produit.
La fig. 8 est un schéma du redresseur de tension réseau pouvant équiper le circuit d'alimentation du dispositif. Les enroulements secondaires 51 d'un transformateur triphasé, connecté en étoile, sont reliés de manière conventionnelle à un circuit redresseur triphasé à double alternance 53 ayant deux connexions de sortie 55.11 est nécessaire d'avoir une assez haute impédance dans les enroulements secondaires 51 en vue de limiter le courant dans les redresseurs (particulièrement si l'on utilise les redresseurs à semi-conducteurs) pour l'éventualité d'une erreur de commutation dans la commande des éléments commutateurs statiques, erreur qui pourrait causer un court-circuit entre les bornes de sortie du courant continu 55 du redresseur 53.
Ainsi, le bobinage du transformateur est fait de manière à présenter une inductance de fuite substantielle. En conséquence, le circuit d'alimentation en puissance sera à haute impédance et aura, en certains aspects, un circuit équivalent semblable à celui de la fig. 9 sur laquelle on voit un élément inductif 59 et une résistance 61 connectés sur les conducteurs de sortie en série avec une source de tension continue 63.
Le dimensionnement des composants de la fig. 9 est tel que l'impédance du circuit d'alimentation est du même ordre de grandeur que l'impédance réduite de l'inductance 15' de la fig. 6. De ce fait, il n'est pas possible d'assurer la réduction désirée de la surtension (ou pointe de tension, overshoot) au moyen du seul circuit secondaire de l'inductance 15' et il est donc nécessaire de prévoir encore une impédance en parallèle sur la sortie du circuit d'alimentation.
Ceci peut être réalisé par une branche de circuit comprenant en série un condensateur et une résistance et qui est branchée en parallèle sur les conducteurs de sortie 55 comme on le voit sur la fig. 10, laquelle montre une résistance 65 et un condensateur 67 en série avec celle-ci, ces deux éléments, connectés en parallèle avec le circuit d'alimentation à haute impédance 69, étant branchés entre les conducteurs de sortie 55 de celui-ci.
Le condensateur 67 doit être de valeur élevée par rapport à la capacité effective du condensateur 19 de la fig. 1 vue depuis l'enroulement primaire 7 du transformateur 5; c'est-à-dire
EMI4.1
C67 étant la capacité du condensateur 67, Cis étant la capacité du condensateur 19 et n étant le rapport du nombre de spires secondaires/primaires du transformateur 5.
La résistance 65 doit avoir une valeur du même ordre de grandeur que le rapport de la tension continue à pleine charge mesurée entre les conducteurs de sortie 55 et le courant continu à pleine charge mesuré sur un de ces conducteurs 55.
Dans le cas où un dispositif ne nécessiterait pas de redresseur du fait qu'il travaillerait en courant alternatif, par exemple dans le cas d'un cyclo-inverseur, la résistance 65 doit avoir une valeur du même ordre de grandeur que la tension alternative efficace à pleine charge à la sortie du transformateur d'alimentation divisée par le courant alternatif efficace à pleine charge à la sortie de ce transformateur d'alimentation.
Des circuits résistance-capacité connectés entre les conducteurs de sortie d'un circuit d'alimentation de puissance avaient déjà par le passé été expérimentés en vue de commander les surcharges de commutation dans des circuits d'alimentation en courant alternatif; cependant, les valeurs des composants de tels circuits étaient généralement beaucoup plus faibles que celles qui sont requises dans l'application ci-décrite.