WO2013041708A2 - Générateur de signaux de courant et procédé de mise en œuvre d'un tel générateur - Google Patents

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    • H02M1/0093—Converters characterised by their input or output configuration wherein the output is created by adding a regulated voltage to or subtracting it from an unregulated input

Definitions

  • the invention relates to a generator of current signals, and more particularly to such a generator capable of generating current pulses of a high intensity (of the order of a few tens of amperes) regulated with great precision under a very high voltage. high, of the order of several kilovolts.
  • the invention also relates to a method of implementing such a generator.
  • a load constituted for example by two electrodes inserted at a distance from each other in the material to be measured, current signals in the form of alternating polarity separated by so-called relaxation periods during which no voltage or current is applied.
  • a simple time sequence is used, in which a positive voltage slot of a few seconds is applied across the load, then a relaxation period of the same duration, followed by a negative voltage slot of the same duration, itself followed by a second relaxation period.
  • the current slots have time characteristics (for example concerning the rise time of the signal fronts) that are as efficient as possible to allow an unbiased comparison between the injected signal and the measured signal.
  • Generators are known used for example in the applications mentioned above or for the study of soils in the context of the construction of buildings or engineering structures or for the measurement of moisture content in soils or in storage silos of powdery materials.
  • the known generators are suitable for measurements in a reduced range of action and develop voltages limited to a few hundred volts and a few hundred milliamperes.
  • the invention aims at such a generator which is simple and economical to produce, and having a high reliability.
  • the invention is further directed to such a generator that can be transported relatively easily to perform measurements in many locations.
  • the invention also relates to such a generator which can operate in a very wide range of output impedances, and which has rise times, for example for current slots, less than 1 millisecond.
  • the invention relates to a current signal generator, adapted to provide at the terminals of a load of regulated current pulses of alternating polarity, under high voltage, comprising a plurality of circuits, called secondary stages, each stage. secondary school with at least one source of isolated DC voltage of the voltage sources of the other secondary stages, and a switching circuit comprising four switches organized into a first and a second half-bridge each formed of two switches connected in series between the positive and the negative pole of the source of voltage, the secondary stages being interconnected so that the midpoint of the second half-bridge of each secondary stage is connected to the midpoint of the first half-bridge of the next secondary stage, the terminals of the load being respectively connected at the midpoint of the first half bridge of a first secondary stage, and at the midpoint of the second half bridge of a last secondary stage, and a control circuit, characterized in that said control circuit is adapted to:
  • ⁇ select a group of secondary stages, called active stages, according to a set value of a current flowing in the load
  • ⁇ control the switches of said regulation stage at a higher frequency than the previous one, with a control duty ratio adapted to regulate the current flowing in the load to the set value.
  • the voltage source of each secondary stage comprises a secondary winding of a transformer powered by a primary stage, a diode rectifier bridge and a filter capacitor.
  • the voltage source of each secondary stage is galvanically isolated from the voltage sources of the other stages.
  • the value of the transformation ratio makes it possible to set the value of the vacuum voltage of the secondary stage without influencing that of the other stages.
  • the transformer is a single-phase transformer and the rectifier bridge of each secondary stage comprises 4 diodes.
  • Such a transformer is less bulky, current or equivalent power, and has less copper than a three-phase transformer and is therefore less expensive.
  • the primary stage of the generator comprises a switching circuit adapted to supply a primary winding of the single-phase transformer with a chopped single-phase current.
  • a primary current hashing frequency of the order of a few hundred or thousands of Hz, it is possible to further reduce the volume (and the mass) of the magnetic cores of the transformer. which makes it possible to obtain a generator that is lighter and less bulky, and therefore more easily transportable.
  • the transformer is a three-phase transformer and the rectifier bridge of each secondary stage has 6 diodes.
  • the primary windings of the transformer are directly coupled to a three-phase power source. This avoids the complexity of a switching primary stage, the primary stage being in this case purely passive and the reliability of the whole is improved.
  • the primary stage comprises a generator providing the power supply of the stage.
  • a generator to power the primary stage of the generator allows, whatever the variant considered, to obtain an autonomous generator, easy to move and usable without constraint of connection to an electrical network.
  • the voltage sources of the secondary stages have a staggering of their output voltage in open circuit allowing a precise adjustment of the output voltage of the generator.
  • judiciously choosing the voltages of the secondary stages it is possible to adjust the voltage at the output terminals of the generator with great precision, for example less than 5% of the maximum voltage, by putting in series an appropriate selection of these secondary stages. while operating each used secondary stage at its maximum efficiency.
  • the switches are bipolar transistors with insulated gate.
  • Insulated gate bipolar transistors IGBTs
  • the switches used comprise an anti-parallel diode between collector and emitter allowing reverse current flow without it being necessary to control the transistor, which further limits the energy dissipation in the transistors and therefore the temperature rise thereof.
  • said transistors are mounted on oil radiators.
  • the monitoring of the temperature of the cooling oil makes it possible to avoid any overheating of the switches and, if necessary, to inform the control circuit in order to deactivate the secondary stage concerned or to stop the generator.
  • control circuit is connected to the switches by an optical fiber link.
  • optical fiber link The switching of strong currents and / or high voltages being likely to parasitize the electric control lines, the use of a distribution of the controls by optical fiber makes it possible to guarantee a good reliability of the generator as well as a simplified wiring, the same one fiber capable of carrying multiplexed control information to a plurality of sub-stages.
  • the use of optical fiber connections, insulating improves the galvanic isolation of the secondary stages between them and with the earth.
  • the invention also extends to a method of generating current signals, adapted to supply, at the terminals of a load, regulated current pulses of alternating polarity, under high voltage, in which:
  • a generator comprising a plurality of secondary stages each comprising a DC voltage source isolated from the voltage sources of the other secondary stages, and a switching circuit comprising four switches organized in a first and a second half-bridge each formed of two switches connected in series between the positive pole and the negative pole of the voltage source, the secondary stages being interconnected with each other so that the midpoint of the second half bridge of each secondary stage is connected to the midpoint of the first half -pass the next secondary stage, the terminals of the load being respectively connected to the midpoint of the first half-bridge of a first secondary stage, and the midpoint of the second half-bridge of a last secondary stage, a group of secondary stages, called active stages, is selected as a function of a reference value of a current flowing in the load,
  • the switches of the unselected secondary stages are controlled to isolate their voltage source
  • one selects from among said active stages at least one stage, called the regulation stage,
  • the switches of the said regulation stage are controlled by a frequency higher than the preceding one, with a control duty ratio adapted to regulate the current flowing in the load to the setpoint value.
  • the invention also relates to a generator and a method of implementing said generator characterized in combination by all or some of the characteristics mentioned above or below.
  • FIG. 1 represents a diagram of the secondary stages of a generator according to the invention according to a first single-phase variant
  • FIG. 2 is a diagram of a primary stage of a generator according to the invention according to a first single-phase variant
  • FIG. 3 is a diagram of the generator in a second three-phase variant
  • FIGS. 4A and 4B show time diagrams useful for understanding the operation of the generator according to the invention.
  • the current signal generator 1 comprises a plurality of secondary stages 20 (20a-20n) each comprising a DC voltage source 21 and a switching circuit 22.
  • an identical alphabetical index identifies the elements of the same secondary stage when the latter must be distinguished from a neighboring floor; on the other hand one uses the generic reference (without index) when one designates an element in general, without it being necessary to distinguish the stage to which it belongs.
  • the switching circuit 22a of the first secondary stage 20a (respectively the switching circuit 22b of the secondary stage 20b, etc.) or, in general, the switching circuit 22 of a secondary stage 20 will be designated. any.
  • the switching circuit 22 comprises four switches Q1 - Q4 arranged in a two-legged arrangement, the switches Q1 and Q2 (respectively Q3 and Q4) being connected in series between the positive pole and the negative pole of the voltage source 21 .
  • Each switch is preferably made by means of a transistor (or a group of transistors) bipolar insulated gate (IGBT according to the English terminology commonly used), chosen in a range adapted to the expected performance of the generator.
  • a generator according to the invention with a power of the order of 100 kW, is provided to provide current slices of an intensity of the order of 60 A on a variable impedance load between 10 ⁇ and 10 k ⁇ and has ten secondary stages whose empty voltages range from 160 V to 1800 V for a maximum total voltage of the order of 1 1 kV.
  • each switch will be selected to be able to circulate a current of an intensity of the order of 60 A in the on state and to maintain a voltage of 2000 V at least in the off state.
  • Each switch has an antiparallel diode 26 adapted to allow the flow of a reverse current in the switch.
  • a diode is generally inherent to the construction of an IGBT, but given the high currents flowing in the generator of the invention, it may be useful to double the diode inherent by an external diode.
  • the diode 26 is connected by its cathode to the positive terminal of the switch with which it is associated and by its anode to the negative terminal thereof.
  • the midpoint of the first half-bridge constituted by the switches Qla and Q2a is connected by a line 5 and a smoothing inductor 6 to a first terminal of the load 7.
  • the point middle of the second half-bridge constituted by the switches Q3a and Q4a is connected by a line 25a to the common point of the switches Qlb and Q2b, midpoint of the first half-bridge of the next secondary stage.
  • the switching circuits of the secondary stages are thus connected in series, from the midpoint of the second half-bridge of a stage to the midpoint of the first half-bridge of the next stage, to the last secondary stage 20n in which the point middle of the second half-bridge constituted by the switches Q3n and Q4n is connected by a line 8 to the second terminal of the load 7.
  • the gates of the switches Q1 to Q4 are connected to an optical converter 23 adapted to transform a command received in optical form via an optical fiber 24 into a suitable electrical control.
  • the optical fibers 24a-24n conveying the respective commands of the switching circuits 22a-22n of the secondary stages are connected to the end opposite to the optical converters 23 to a control circuit 15 (FIG. 2) adapted to generate the switching control signals. different floors.
  • the control circuit 15 may be made in any manner known to those skilled in the art, wired logic, programmable microprocessor (s) or by means of a computer programmed according to the operating method which will be described later.
  • Each secondary stage 20 also comprises a source
  • the DC voltage source 21 comprises a secondary winding S of a single-phase transformer 1 1 whose primary winding 12 is powered by a primary stage 10 represented in FIG. 2.
  • the single-phase alternating current provided by the secondary winding S is then rectified in full wave by a diode bridge D1 to D4 and filtered in a filter capacitor CF.
  • the ten secondary stages are provided to provide a total maximum empty voltage of the order of 1 1 kV with five stages each providing a voltage of 1800 V, and the remaining five stages respectively providing voltages of 900 V, 500 V, 280 V, 200 V and 160 V.
  • the primary stage 10, in a first single-phase variant shown in FIG. 2, and corresponding to the voltage sources 21 described above, comprises an alternating voltage source, for example in the form of a generator set 16 with a three-phase output.
  • This generator set 16, with a power of the order of 200 kVA, could also be replaced by a connection to an electrical distribution network, mono or three-phase, capable of providing equivalent power.
  • the use of a generator is preferable in the case where the generator of the invention must be mobile.
  • the electric current supplied by the generator set 16 is rectified in a three-phase rectifier comprising three diodes Dpi to Dp3 and three controlled rectifiers such as thyristors C1 to Rc3.
  • the current thus rectified is filtered by two filter capacitors CF1 and CF2 in series between the positive and negative poles and a filtering inductance Lf in series in the positive pole.
  • Four switches Qp1 through Qp4 are connected in an H-bridge arrangement between the positive and negative poles of the power supply.
  • the primary winding 12 of the transformer 1 1 is placed in the horizontal branch of the H, between the common point of the switches Qp1 and Qp2 and the common point of Qp3 and Qp4.
  • a compensation inductor 17 is placed in series with the primary winding 12.
  • the switches are controlled two by two, diagonally and in opposition in order to circulate the current alternately in one way or the other in the primary winding 12.
  • the switches Qp1 to Qp4 are also each realized by means of a transistor (or group of transistors) bipolar insulated gate (IGBT) controlled by an optical converter 14 connected to the control circuit 15 by an optical fiber 13.
  • the Optical converter 14 is also adapted, if necessary, to control thyristors Rc1 to Rc3.
  • the inverter thus produced is adapted to operate at a high switching frequency (with respect to the usual frequencies of the electrical distribution networks), of the order of a few kHz. In this way, the saturation of the magnetic cores of transformer 1 1 is reduced, which makes it possible to minimize their volume, and therefore their mass and their cost, in a ratio corresponding to the ratio of frequencies between the switching frequency and the usual frequency of the network. electrical distribution.
  • the frequency used is also low enough not to cause excessive switching losses, especially in the presence of considerable switched powers.
  • the primary stage 10 simply consists of the generator set 16 operating as a three-phase generator, which is connected directly (to the safety switches close) to the primary windings 12 of the generator. a transformer 1 1 three-phase.
  • the primary stage 10 is then greatly simplified and includes only passive elements. Its reliability is therefore greatly increased.
  • the frequency of the electric current supplying the transformer 1 1 is then of the same order of magnitude as the usual frequencies of the distribution networks at the expense of the volume of the magnetic cores of the transformer.
  • the secondary stages 20 have a DC voltage source 21 adapted to operation with a three-phase transformer, that is to say that the secondary winding S of the transformer is in the form of three windings each connected a part at a common point and secondly at the midpoint of a respective branch of a rectifier bridge having six diodes D1 to D6.
  • the cathodes of the diodes D1, D3 and D5 are connected to a positive terminal of a filter capacitor CF whose other negative terminal is connected to the anodes of the diodes D2, D4 and D6.
  • the switching circuit 22 of the secondary stage and its interconnection diagram with the other secondary stages are unchanged with respect to the first variant.
  • the positive terminal of the source 21a is connected through the switch Qla to line 5 of the load.
  • the negative terminal of the source 21a is connected through the switch Q4a and the line 25a to the common point of the switches Qlb and Q2b of the next secondary stage.
  • the switch Q1b then connects the negative terminal of the source 21a to the positive terminal of the source 21b.
  • the control circuit 15 When the control circuit 15 imposes on the opposite a state passing to the switches Q2a and Q3a and a blocked state Qla and Q4a, it is the negative terminal of the source 21a which is connected to the line 5 of the load, and the positive terminal of the source 21a is connected via Q3a and the line 25a to the common point of the switches Qlb and Q2b of the next secondary stage. Assuming that the secondary stage 20b is controlled in a similar manner, the switch Q2b then connects the positive terminal of the source 21a to the negative terminal of the source 21b. By reasoning by analogy on all the stages, it appears then that the source 21a circulates a current of negative direction in the load 7.
  • the table below summarizes the commands to be applied to the switches to insert the source 21 respectively in series in the positive direction, in series in the negative direction or to isolate the voltage source according to the direction of the current in the load.
  • Source 21 Meaning + Sense - Isolated (+ sense) Isolated (- - sense)
  • Figure 4 in which there is shown two graphs to better understand the operation of the generator according to the invention.
  • a periodic current signal in the form of of slots having a first duration T1 of application of a positive current-regulated slot, a relaxation time T2 followed by a duration T3 of applying a negative regulated current slot, itself followed by another relaxation time.
  • a time sequence is defined such that the four durations are equal and adjustable between 2 and 4 seconds for example, which results in a time sequence of a total duration of 8 to 16 seconds representing the period of the signal of current.
  • a setpoint current is defined for each current slot (FIG. 4b).
  • the same reference value, in absolute value, is defined for the positive and negative slots.
  • the setpoint is adjustable between 0 and 60 A in increments of 0.1 A, for example.
  • the control circuit 15 is adapted to control the switches Q1 to Q4 of the secondary stages to put in series at least one secondary stage and establish a current in the load 7.
  • a means for measuring the current flowing in the load for example a sensor Hall current or ogowski loop current (not shown) placed around one of the lines 5 or 8 of supply of the load can provide a real value of the current flowing in it.
  • the control circuit is programmed to implement two distinct and complementary control strategies.
  • the control circuit 15 selects, as a function of the estimated impedance of the load, a group of secondary stages, called active stages, whose the sum of the voltages makes it possible to circulate in the load a current at least equal to the setpoint le.
  • the switches of the active stages are then controlled so that these stages are connected in series at the same time, for example by simultaneously controlling their switches Q1 and Q4 in the on state and Q2 and Q3 in the off state.
  • the switches of the unselected stages are controlled so as to isolate their voltage source from the load supply circuit.
  • control circuit 15 By simultaneously controlling the switches Q1 and Q4 (respectively Q2 and Q3) of the various selected secondary stages, the series of their voltage sources and their application across the load 7 takes place at the same instant, thus making it possible to reduce the rise time of the current slot through the load.
  • the control circuit 15 can be simplified.
  • a second step is selected from the active stages at least one secondary stage, said control stage, whose switches are operated at a frequency much higher than the frequency of the current signal.
  • the control period T REG of the regulation stage is of the order of 50 s.
  • the control circuit 15 controls the switches of the regulation stage so as to put in series then isolate its voltage source according to the period T REG by modulating the duty cycle of the control so as to slave the actual current flowing in the load 7 to the set value on.
  • control circuit 15 is adapted to choose the regulation stage among the active stages whose voltage is the lowest.
  • the active stage having a no-load voltage of the order of 200 V is preferably chosen as the regulation stage, preferably for the active stages having voltages of 500 V to 1800 V.
  • the active stages for example the secondary stages 20a and 20b supplying the voltages Ua and Ub
  • the regulation stage for example the stage 20n secondary is controlled according to the period T REG -
  • the smoothing inductor 6 in series with the load 7, the on / off control of the regulation stage makes it possible to regulate the current in the load 7, with great precision, less than 1% of the value. deposit.
  • the magnetic core of the smoothing inductor 6 does not saturate, the currents generated by the other active stages behaving as DC currents over the duration T1.
  • control circuit 15 is adapted to control the serial insertion of an additional active stage or the deletion or replacement of one of the active stages by a lower voltage stage.
  • control circuit 15 simultaneously isolates all the secondary stages of the load supply circuit, the voltage applied across it vanishes, as well as the current flowing therethrough, for T2 relaxation time. During this period, the power delivered by the generator can be derived on an external load resistor (not shown) to avoid power surges.
  • the control circuit 15 reverses the polarities of the active stages during the period T1, while simultaneously controlling the switches Q1 and Q4 in the off state and Q2 and Q3 in the on state for the duration T3. Similarly, the regulation stage is controlled in pulse width modulation at the period T REG by reversing its polarity.
  • the control circuit 15 isolates all the voltage sources of the active stages for a new relaxation period at the end of which the sequence resumes at the beginning of T 1.
  • the generator according to the invention and its method of implementation by simultaneously putting in series independent secondary stages, of varied voltages, operating continuously during the duration of each slot, make it possible to provide regulated current slots with a high precision, having a minimum residual ripple rate and a reduced rise time.
  • this description is given by way of illustrative example only and the skilled person can make many modifications without departing from the scope of the invention, such as for example using a power supply of the generator from a power distribution network rather than a generator if the adapted network is available or if the mobility of the generator is not sought.
  • the control of the switching circuits of the secondary stages could be operated by solely electrical means or, using switches adapted to be directly optically controlled.

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Abstract

L'invention concerne un générateur de créneaux de courant, adapté pour fournir aux bornes d'une charge (7) des signaux de courant régulé, de polarité alternée, sous haute tension, comprenant : - une pluralité d'étages secondaires (20), comportant au moins une source de tension continue isolée des sources de tension des autres étages, connectés en série entre le point milieu du second (Q3, Q4) demi -pont de chaque étage secondaire et le point milieu du premier (Q1, Q2) demi-pont de l'étage secondaire suivant, les bornes de la charge (7) étant respectivement reliées au point milieu du premier demi-pont d'un premier étage secondaire, et au point milieu du second demi pont d'un dernier étage secondaire, et - un circuit de commande (15) adapté pour : ▪ sélectionner un groupe d'étages secondaires (20), dit étages actifs, et parmi lesdits étages actifs au moins un étage, dit étage de régulation, ▪ commander simultanément chaque étage actif, à l'exception de l'étage de régulation, à la fréquence des créneaux de courant, ▪ commander l'étage de régulation selon une fréquence supérieure à la précédente, avec un rapport cyclique de commande adapté pour réguler le courant circulant dans la charge à la valeur de consigne, ▪ commander les commutateurs (Q1-Q4) des étages secondaires non sélectionnés pour isoler leur source de tension.

Description

GÉNÉRATEUR DE SIGNAUX DE COURANT ET PROCÉDÉ DE MISE EN ŒUVRE D'UN TEL GÉNÉRATEUR
L'invention concerne un générateur de signaux de courant, et plus particulièrement un tel générateur capable de générer des créneaux de courant d'une intensité élevée (de l'ordre de quelques dizaines d'ampères) régulée avec une grande précision sous une tension très élevée, de l'ordre de plusieurs kilovolts. L'invention vise également un procédé de mise en œuvre d'un tel générateur.
Dans certaines applications telles que l'électrolyse, la stérilisation, l'obtention de plasmas sous vide ou pour l'exécution de tests visant à déterminer certaines constantes physiques de matériaux, homogènes ou non, comme par exemple leur conductivité ou leurs constantes diélectriques et/ou inductives, il est parfois nécessaire d'appliquer au travers desdits matériaux des tensions ou des courants calibrés, avec des périodes prédéterminées d'application de ces courants ou tensions.
II peut ainsi être utile dans certains cas d'appliquer aux bornes d'une charge, constituée par exemple par deux électrodes insérées à distance l'une de l'autre dans le matériau à mesurer, des signaux de courant sous la forme de créneaux de polarité alternée séparés par des périodes dites de relaxation, pendant lesquelles aucune tension ni aucun courant n'est appliqué. Usuellement, on utilise une séquence temporelle simple, dans laquelle on applique aux bornes de la charge un créneau de tension positive de quelques secondes, puis une période de relaxation de même durée, suivie par un créneau de tension négative de même durée, lui-même suivi d'une seconde période de relaxation.
En appliquant un tel signal entre deux électrodes d'injection de courant fixées dans le matériau dont on veut mesurer certaines caractéristiques, et en mesurant un signal résultant entre deux autres électrodes de mesure placées par exemple entre les deux électrodes d'injection, on peut déterminer la résistivité et la constante diélectrique du matériau en comparant les formes du signal injecté et du signal mesuré.
Pour la précision des mesures, il est nécessaire de réguler le courant appliqué pendant les créneaux positifs ou négatifs, voire même d'injecter ce signal sous forme de créneaux de courant, la tension s 'adaptant alors en permanence en fonction du courant à obtenir. Il est en outre indispensable que les créneaux de courant présentent des caractéristiques temporelles (par exemple concernant le temps de montée des fronts des signaux) aussi performantes que possible pour permettre une comparaison sans biais entre le signal injecté et le signal mesuré.
On connaît des générateurs utilisés par exemple dans les applications citées plus haut ou encore pour l'étude des sols dans le cadre de la construction de bâtiments ou d'ouvrages d'art ou encore pour la mesure du taux d'humidité dans les sols ou dans des silos de stockage de matériaux pulvérulents. Cependant, les générateurs connus sont adaptés à des mesures dans un rayon d'action réduit et développent des tensions limitées à quelques centaines de volts et quelques centaines de milliampères.
Il subsiste donc un besoin pour un générateur permettant de fournir des signaux de forte tension, de l'ordre de quelques kilovolts, capables de faire circuler un courant de quelques dizaines d'ampères avec une précision inférieure au pourcent, afin d'améliorer les performances des générateurs connus et de permettre d'effectuer des mesures sur des matériaux présentant des impédances élevées et/ou très variables.
L'invention vise un tel générateur qui soit simple et économique à réaliser, et présentant une fiabilité élevée.
L'invention vise en outre un tel générateur qui puisse être transporté relativement facilement afin de réaliser des mesures dans de nombreux endroits.
L'invention vise encore un tel générateur qui puisse fonctionner dans une très large gamme d'impédances de sortie, et qui présente des temps de montée, par exemple pour des créneaux de courant, inférieurs à la milliseconde.
Pour ce faire, l'invention concerne un générateur de signaux de courant, adapté pour fournir aux bornes d'une charge des créneaux de courant régulé, de polarité alternée, sous haute tension, comprenant une pluralité de circuits, dits étages secondaires, chaque étage secondaire comportant au moins une source de tension continue isolée des sources de tension des autres étages secondaires, et un circuit de commutation comprenant quatre commutateurs organisés en un premier et un second demi-ponts formés chacun de deux commutateurs montés en série entre le pôle positif et le pôle négatif de la source de tension, les étages secondaires étant interconnectés entre eux de telle sorte que le point milieu du second demi-pont de chaque étage secondaire est relié au point milieu du premier demi-pont de l'étage secondaire suivant, les bornes de la charge étant respectivement reliées au point milieu du premier demi-pont d'un premier étage secondaire, et au point milieu du second demi pont d'un dernier étage secondaire, et un circuit de commande, caractérisé en ce que ledit circuit de commande est adapté pour :
■ sélectionner un groupe d'étages secondaires, dit étages actifs, en fonction d'une valeur de consigne d'un courant circulant dans la charge,
■ commander les commutateurs des étages secondaires non sélectionnés pour isoler leur source de tension.
■ sélectionner parmi lesdits étages actifs au moins un étage, dit étage de régulation,
■ commander simultanément les commutateurs de chaque étage actif, à l'exception de l'étage de régulation, à la fréquence des signaux de courant, de manière à mettre en série les sources de tension de ces étages,
■ commander les commutateurs dudit étage de régulation selon une fréquence supérieure à la précédente, avec un rapport cyclique de commande adapté pour réguler le courant circulant dans la charge à la valeur de consigne.
Grâce au montage des commutateurs des étages secondaires, il est possible, en fonction de la commande appliquée aux commutateurs de chaque étage de disposer celui-ci en série ou en opposition avec les étages voisins, ou encore d'isoler la source de tension de l'étage considéré par rapport aux étages voisins sans pour autant interrompre le passage du courant dans la charge. Dès lors, il est possible de sélectionner certains étages secondaires et, en les commutant simultanément, de manière synchrone avec les fronts du signal à obtenir et à la fréquence de celui-ci, de les monter en série afin d'obtenir quasi-instantanément une tension adaptée pour faire circuler le courant voulu dans la charge, en fonction de l'impédance de celle-ci. De ce fait, les temps de montée des créneaux de courant peuvent être réduits. Afin d'obtenir les performances désirées en précision de la régulation du courant traversant la charge, un seul des étages secondaires mis en série est piloté à une fréquence élevée (plusieurs kHz) selon une commande à modulation de largeur d'impulsion présentant un rapport cyclique dépendant de l'écart entre la valeur du courant traversant la charge et une valeur de consigne, ce qui permet d'éviter de commuter l'ensemble des étages à fréquence élevée et donc de limiter la puissance dissipée dans les commutateurs.
Avantageusement et selon l'invention, la source de tension de chaque étage secondaire comporte un enroulement secondaire d'un transformateur alimenté par un étage primaire, un pont redresseur à diodes et un condensateur de filtrage. En utilisant un enroulement secondaire d'un transformateur, la source de tension de chaque étage secondaire est galvaniquement isolée des sources de tension des autres étages. En outre, la valeur du rapport de transformation permet de fixer la valeur de la tension à vide de l'étage secondaire sans influer sur celle des autres étages.
Dans une première variante du générateur selon l'invention, le transformateur est un transformateur monophasé et le pont redresseur de chaque étage secondaire comporte 4 diodes. Un tel transformateur s'avère moins volumineux, à courant ou puissance équivalente, et comporte moins de cuivre qu'un transformateur triphasé et est donc moins coûteux.
Avantageusement et selon l'invention, l'étage primaire du générateur comporte un circuit de commutation adapté pour alimenter un enroulement primaire du transformateur monophasé avec un courant monophasé haché. De cette manière, en employant une fréquence de hachage du courant primaire de l'ordre de quelques centaines ou milliers de Hz, il est possible de réduire encore le volume (et la masse) des noyaux magnétiques du transformateur ce qui permet d'obtenir un générateur plus léger et moins volumineux, donc plus facilement transportable.
Dans une seconde variante du générateur selon l'invention, le transformateur est un transformateur triphasé et le pont redresseur de chaque étage secondaire comporte 6 diodes. En répartissant la puissance sur trois enroulements primaires, les commutations à fort courant dans le primaire sont limitées.
Avantageusement et selon l'invention, les enroulements primaires du transformateur sont directement couplés à une source de courant triphasé. On évite ainsi la complexité d'un étage primaire à découpage, l'étage primaire étant dans ce cas purement passif et la fiabilité de l'ensemble est améliorée.
Avantageusement et selon l'invention, l'étage primaire comprend un groupe électrogène fournissant l'alimentation en courant de l'étage. L'utilisation d'un groupe électrogène pour alimenter l'étage primaire du générateur permet, quelle que soit la variante considérée, d'obtenir un générateur autonome, facile à déplacer et utilisable sans contrainte de raccordement à un réseau électrique.
Avantageusement et selon l'invention, les sources de tension des étages secondaires présentent un étagement de leur tension de sortie en circuit ouvert permettant un ajustement précis de la tension de sortie du générateur. En choisissant judicieusement les tensions des étages secondaires, il est possible d'ajuster la tension aux bornes de sortie du générateur avec une grande précision, par exemple inférieure à 5% de la tension maximale, en mettant en série une sélection appropriée de ces étages secondaires, tout en faisant fonctionner chaque étage secondaire utilisé à son rendement maximum.
Avantageusement et selon l'invention, les commutateurs sont des transistors bipolaires à grille isolée. Les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) permettent de commuter de fortes tensions et/ou de forts courants sans exiger une énergie de commande élevée, ce qui permet de les commander au moyen d'un étage de commande simple et peu consommateur d'énergie. En outre, les commutateurs utilisés comportent une diode anti parallèle entre collecteur et émetteur permettant un passage du courant en inverse sans qu'il soit nécessaire de commander le transistor, ce qui limite encore la dissipation d'énergie dans les transistors et donc l'élévation de température de ceux-ci.
Avantageusement et selon l'invention, lesdits transistors sont montés sur des radiateurs à huile. De cette manière, la surveillance de la température de l'huile de refroidissement permet d'éviter une éventuelle surchauffe des commutateurs et le cas échéant, d'en informer le circuit de commande afin de désactiver l'étage secondaire concerné ou d'arrêter le générateur.
Avantageusement et selon l'invention, le circuit de commande est relié aux commutateurs par une liaison à fibre optique. La commutation de forts courants et/ou de fortes tensions étant susceptible de parasiter les lignes de commande électriques, l'utilisation d'une distribution des commandes par fibre optique permet de garantir une bonne fiabilité du générateur ainsi qu'un câblage simplifié, la même fibre pouvant transporter des informations de commande multiplexées à destination d'une pluralité d'étages secondaires. En outre, l'utilisation de liaisons en fibre optique, isolante, permet d'améliorer l'isolement galvanique des étages secondaires entre eux et avec la terre.
L'invention s'étend également à un procédé de génération de signaux de courant, adapté pour fournir aux bornes d'une charge des créneaux de courant régulé, de polarité alternée, sous haute tension, dans lequel :
- on utilise un générateur comportant une pluralité d'étages secondaires comportant chacun une source de tension continue isolée des sources de tension des autres étages secondaires, et un circuit de commutation comprenant quatre commutateurs organisés en un premier et un second demi-ponts formés chacun de deux commutateurs montés en série entre le pôle positif et le pôle négatif de la source de tension, les étages secondaires étant interconnectés entre eux de telle sorte que le point milieu du second demi-pont de chaque étage secondaire est relié au point milieu du premier demi-pont de l'étage secondaire suivant, les bornes de la charge étant respectivement reliées au point milieu du premier demi-pont d'un premier étage secondaire, et au point milieu du second demi pont d'un dernier étage secondaire, - on sélectionne un groupe d'étages secondaires, dit étages actifs, en fonction d'une valeur de consigne d'un courant circulant dans la charge,
- on commande les commutateurs des étages secondaires non sélectionnés pour isoler leur source de tension,
- on sélectionne parmi lesdits étages actifs au moins un étage, dit étage de régulation,
- on commande simultanément les commutateurs de chaque étage actif, à l'exception de l'étage de régulation, à la fréquence des créneaux de courant, de manière à mettre en série les sources de tension de ces étages,
- on commande les commutateurs dudit étage de régulation selon une fréquence supérieure à la précédente, avec un rapport cyclique de commande adapté pour réguler le courant circulant dans la charge à la valeur de consigne.
L'invention concerne également un générateur et un procédé de mise en œuvre dudit générateur caractérisés en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après.
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au vu de la description qui va suivre et des dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 représente un schéma des étages secondaires d'un générateur selon l'invention selon une première variante monophasée,
- la figure 2 est un schéma d'un étage primaire d'un générateur selon l'invention selon une première variante monophasée,
- la figure 3 est un schéma du générateur dans une seconde variante triphasée,
- les figures 4A et 4B représentent des diagrammes temporels utiles à la compréhension du fonctionnement du générateur selon l'invention.
Le générateur 1 de signaux de courant selon l'invention comporte une pluralité d'étages secondaires 20 (20a - 20n) comprenant chacun une source 21 de tension continue et un circuit de commutation 22.
Dans le texte qui va suivre, on identifie par un indice alphabétique identique les éléments d'un même étage secondaire lorsque celui-ci doit être distingué d'un étage voisin ; par contre on utilise la référence générique (sans indice) lorsqu'on désigne un élément en général, sans qu'il soit nécessaire de distinguer l'étage auquel il appartient. Ainsi, on désignera par exemple le circuit de commutation 22a du premier étage secondaire 20a (respectivement le circuit de commutation 22b de l'étage secondaire 20b, etc.) ou bien de manière générale, le circuit de commutation 22 d'un étage secondaire 20 quelconque.
Le circuit de commutation 22 comprend quatre commutateurs Ql - Q4 disposés selon un montage en deux demi -ponts, les commutateurs Ql et Q2 (respectivement Q3 et Q4) étant montés en série entre le pôle positif et le pôle négatif de la source 21 de tension. Chaque commutateur est de préférence réalisé au moyen d'un transistor (ou d'un groupe de transistors) bipolaire à grille isolée (IGBT selon la terminologie anglo-saxonne couramment employée), choisi dans une gamme adaptée aux performances attendues du générateur. A titre d'exemple d'application non limitatif, un générateur selon l'invention, d'une puissance de l'ordre de 100 kW, est prévu pour fournir des créneaux de courant d'une intensité de l'ordre de 60 A sur une charge d'impédance variable entre 10 Ω et 10 kQ et présente dix étages secondaires dont les tensions à vide s'étagent de 160 V à 1800 V pour une tension totale maximale de l'ordre de 1 1 kV. Ainsi, par exemple, chaque commutateur sera choisi pour être apte à laisser circuler un courant d'une intensité de l'ordre de 60 A à l'état passant et pour tenir une tension de 2000 V au moins à l'état bloqué.
Chaque commutateur comporte une diode antiparallèle 26 adaptée pour permettre la circulation d'un courant inverse dans le commutateur. Une telle diode est en général inhérente à la construction d'un IGBT, mais compte tenu des forts courants circulant dans le générateur de l'invention, il peut être utile de doubler la diode inhérente par une diode externe. La diode 26 est connectée par sa cathode à la borne positive du commutateur auquel elle est associée et par son anode à la borne négative de celui-ci.
Dans le premier étage secondaire 20a, le point milieu du premier demi-pont constitué par les commutateurs Qla et Q2a est relié par une ligne 5 et une inductance 6 de lissage à une première borne de la charge 7. Le point milieu du second demi-pont constitué par les commutateurs Q3a et Q4a est connecté par une ligne 25a au point commun des commutateurs Qlb et Q2b, point milieu du premier demi-pont de l'étage secondaire suivant. Les circuits de commutation des étages secondaires sont ainsi reliés en série, du point milieu du second demi-pont d'un étage au point milieu du premier demi-pont de l'étage suivant, jusqu'au dernier étage secondaire 20n dans lequel le point milieu du second demi-pont constitué par les commutateurs Q3n et Q4n est relié par une ligne 8 à la seconde borne de la charge 7.
Les grilles des commutateurs Ql à Q4 sont reliées à un convertisseur optique 23 adapté pour transformer une commande reçue sous forme optique par l'intermédiaire d'une fibre optique 24 en une commande électrique appropriée. Les fibres optiques 24a - 24n véhiculant les commandes respectives des circuits de commutation 22a - 22n des étages secondaires sont reliée à l'extrémité opposée aux convertisseurs optiques 23 à un circuit de commande 15 (figure 2) adapté pour générer les signaux de commande de commutation des différents étages. Le circuit de commande 15 peut être réalisé de toute manière connue de l'homme du métier, en logique câblée, programmable à microprocesseur(s) ou encore au moyen d'un ordinateur programmé selon le procédé de fonctionnement qui sera décrit plus loin.
Chaque étage secondaire 20 comporte également une source
21 de tension continue, isolée galvaniquement des sources de tension des autres étages secondaires. Dans l'exemple représenté à la figure 1, la source 21 de tension continue comprend un enroulement secondaire S d'un transformateur 1 1 monophasé dont l'enroulement primaire 12 est alimenté par un étage primaire 10 représenté en figure 2. Le courant alternatif monophasé fourni par l'enroulement secondaire S est alors redressé en double alternance par un pont de diodes Dl à D4 et filtré dans un condensateur CF de filtrage. Dans l'exemple d'application cité précédemment, les dix étages secondaires sont prévus pour fournir une tension maximale totale à vide de l'ordre de 1 1 kV avec cinq étages fournissant chacun une tension de 1800 V, et les cinq étages restants fournissant respectivement des tensions de 900 V, 500 V, 280 V, 200 V et 160 V. L'étage primaire 10, dans une première variante monophasée représentée à la figure 2, et correspondant aux sources 21 de tension décrites ci- dessus, comprend une source de tension alternative, par exemple sous la forme d'un groupe électrogène 16 à sortie triphasée. Ce groupe électrogène 16, d'une puissance de l'ordre de 200 kVA, pourrait également être remplacé par une liaison à un réseau de distribution électrique, mono ou triphasé, capable de fournir une puissance équivalente. L'utilisation d'un groupe électrogène est préférable dans le cas où le générateur de l'invention doit être mobile.
Le courant électrique fourni par le groupe électrogène 16 est redressé dans un redresseur triphasé comportant trois diodes Dpi à Dp3 et trois redresseurs commandés tels que des thyristors cl à Rc3. Le courant ainsi redressé est filtré par deux condensateurs de filtrage CF1 et CF2 en série entre les pôles positif et négatif et une inductance de filtrage Lf en série dans le pôle positif. Un condensateur Cs, branché entre les pôles positif et négatif en aval de l'inductance de filtrage Lf, assure un lissage de l'alimentation continue ainsi obtenue. Quatre commutateurs Qpl à Qp4 sont connectés selon un montage en pont en H entre les pôles positif et négatif de l'alimentation. L'enroulement primaire 12 du transformateur 1 1 est placé dans la branche horizontale du H, entre le point commun des commutateurs Qpl et Qp2 et le point commun de Qp3 et Qp4. Une inductance de compensation 17 est placée en série avec l'enroulement primaire 12. Afin de faire circuler un courant alternatif dans l'enroulement primaire, les commutateurs sont commandés deux par deux, en diagonale et en opposition afin de faire circuler le courant alternativement dans un sens ou dans l'autre dans l'enroulement primaire 12. Ainsi, lorsque Qpl et Qp3 sont passants et Qp2 et Qp4 sont bloqués, le courant traverse l'enroulement primaire dans un sens et à l'inverse, quand Qpl et Qp3 sont bloqués et Qp2 et Qp4 passants, le courant circule dans le sens opposé. Les commutateurs Qpl à Qp4 sont également réalisés chacun au moyen d'un transistor (ou d'un groupe de transistors) bipolaire à grille isolée (IGBT) commandé par un convertisseur optique 14 connecté au circuit de commande 15 par une fibre optique 13. Le convertisseur optique 14 est également adapté, le cas échéant, pour commander les thyristors Rcl à Rc3. Avantageusement, l'onduleur ainsi réalisé est adapté pour fonctionner à une fréquence de découpage élevée (par rapport aux fréquences usuelles des réseaux de distribution électrique), de l'ordre de quelques kHz. De cette manière, la saturation des noyaux magnétiques du transformateur 1 1 est réduite ce qui permet de minimiser leur volume, et donc leur masse et leur coût, dans un rapport correspondant au rapport des fréquences entre la fréquence de découpage et la fréquence usuelle du réseau de distribution électrique. La fréquence employée est également suffisamment basse pour ne pas entraîner des pertes de commutation excessives, surtout en présence des puissances considérables commutées.
Comme on le verra par la suite en relation avec le fonctionnement du générateur, tous les étages secondaires ne sont pas utilisés simultanément, et dans ce cas l'inductance des enroulements secondaires S ramenée au primaire peut être réduite. L'inductance de compensation 17 permet alors de limiter le courant dans l'enroulement primaire 12 du transformateur.
Dans une seconde variante du générateur selon l'invention, illustrée à la figure 3, l'étage primaire 10 est simplement constitué du groupe électrogène 16 fonctionnant en générateur triphasé, qui est relié directement (aux interrupteurs de sécurité près) aux enroulements primaires 12 d'un transformateur 1 1 triphasé. L'étage primaire 10 est alors grandement simplifié et ne comprend plus que des éléments passifs. Sa fiabilité en est donc largement augmentée. Cependant, comme vu précédemment, la fréquence du courant électrique alimentant le transformateur 1 1 est alors du même ordre de grandeur que les fréquences usuelles des réseaux de distribution au détriment du volume des noyaux magnétiques du transformateur.
Dans cette variante, les étages secondaires 20 présentent une source 21 de tension continue adaptée au fonctionnement avec un transformateur triphasé, c'est-à-dire que l'enroulement secondaire S du transformateur se présente sous la forme de trois enroulements reliés chacun d'une part à un point commun et d'autre part au point milieu d'une branche respective d'un pont redresseur comportant six diodes Dl à D6. Les cathodes des diodes Dl, D3 et D5 sont reliées à une borne positive d'un condensateur de filtrage CF dont l'autre borne, négative, est reliée aux anodes des diodes D2, D4 et D6. Le circuit de commutation 22 de l'étage secondaire et son schéma d'interconnexion avec les autres étages secondaires sont inchangés par rapport à la première variante.
On va maintenant détailler le fonctionnement du générateur selon l'invention en décrivant succinctement les différents états dans lesquels un étage secondaire peut se trouver en fonction de la commande appliquée aux commutateurs du circuit de commutation 22. Pour la suite, on définit arbitrairement un sens de circulation du courant comme positif lorsque le courant entre dans la charge 7 par la ligne 5 et en ressort par la ligne 8.
Lorsque le circuit de commande 15, par l'intermédiaire de la fibre optique 24 et du convertisseur optique 23, impose un état passant (ON) aux commutateurs Ql et Q4, il commande un état bloqué (OFF) aux commutateurs Q2 et Q3 afin de ne pas court-circuiter la source 21 de tension. Dans le cas du premier étage secondaire 20a, la borne positive de la source 21a est connectée par l'intermédiaire du commutateur Qla à la ligne 5 de la charge. La borne négative de la source 21a est reliée par l'intermédiaire du commutateur Q4a et de la ligne 25a au point commun des commutateurs Qlb et Q2b de l'étage secondaire suivant. En supposant que l'étage secondaire 20b est commandé de façon similaire, le commutateur Qlb connecte alors la borne négative de la source 21a à la borne positive de la source 21b. En raisonnant par analogie sur tous les étages, il apparaît que la source 21a fait circuler un courant de sens positif dans la charge 7.
Lorsque le circuit de commande 15 impose à l'opposé un état passant aux commutateurs Q2a et Q3a et un état bloqué à Qla et Q4a, c'est la borne négative de la source 21a qui est connectée à la ligne 5 de la charge, et la borne positive de la source 21a est reliée via Q3a et la ligne 25a au point commun des commutateurs Qlb et Q2b de l'étage secondaire suivant. En supposant que l'étage secondaire 20b est commandé de façon similaire, le commutateur Q2b connecte alors la borne positive de la source 21a à la borne négative de la source 21b. En raisonnant par analogie sur tous les étages, il apparaît alors que la source 21a fait circuler un courant de sens négatif dans la charge 7. Il est possible également de commander l'état des commutateurs de façon à isoler la source 21 d'un ou plusieurs étages secondaires du circuit de la charge sans pour autant interrompre la continuité de la série des étages secondaires. Pour cette démonstration, on suppose que la plupart des étages secondaires ont été commandés pour faire passer un courant positif dans la charge et que l'on désire isoler la source 21b de tension de l'étage secondaire 20b. En commandant les commutateurs Qlb et Q3b à l'état bloqué et le commutateur Q4b à l'état passant, on constate que le courant circule dans l'étage 20b en entrant par la ligne 25b au point commun de Q3b et Q4b, traverse Q4b et la diode antiparallèle 26 de Q2b pour sortir de l'étage 20b par la ligne 25a. On constate ainsi que la source 21b est restée isolée du circuit de passage du courant. On note également que l'état du commutateur Q2b n'est pas déterminant pour le passage du courant.
Bien entendu, lorsque le courant dans la charge 7 circule dans le sens négatif, le rôle des commutateurs Q2b et Q4b est inversé, le courant entrant par la ligne 25a, traversant Q2b alors nécessairement à l'état passant et la diode antiparallèle de Q4b pour repartir par la ligne 25b.
On remarque également que compte tenu de la symétrie du circuit de commutation, il est également possible d'isoler la source de tension d'un étage en commandant les commutateurs Q2 et Q4 à l'état bloqué et les commutateurs Ql et Q3 à l'état passant en fonction du sens du courant dans la charge.
Le tableau ci-après résume les commandes à appliquer aux commutateurs pour insérer la source 21 respectivement en série dans le sens positif, en série dans le sens négatif ou pour isoler la source de tension en fonction du sens du courant dans la charge.
Qi ON OFF OFF ON OFF X
Q2 OFF ON X OFF ON OFF
Q3 OFF ON OFF X OFF ON
Q4 ON OFF ON OFF X OFF
Source 21 Sens + Sens - Isolée (sens +) Isolée (sens -) On se réfère à la figure 4 dans laquelle on a représenté deux graphes permettant de mieux comprendre le fonctionnement du générateur selon l'invention.
Comme évoqué précédemment, pour effectuer certaines mesures visant à déterminer des caractéristiques électriques d'un matériau, on est amené à appliquer à une charge 7, par exemple une paire d'électrodes insérées dans le matériau à mesurer, un signal de courant périodique en forme de créneaux comportant une première durée Tl d'application d'un créneau de courant régulé positif, une durée T2 de relaxation suivie d'une durée T3 d'application d'un créneau de courant régulé négatif, elle-même suivie d'une autre durée de relaxation. De manière préférentielle, on définit une séquence temporelle telle que les quatre durées soient égales et réglables entre 2 et 4 secondes par exemple, ce qui se traduit par une séquence temporelle d'une durée totale de 8 à 16 secondes représentant la période du signal de courant.
En fonction du matériau à mesurer, on définit un courant de consigne pour chaque créneau de courant (figure 4b). De préférence on définit une même valeur de consigne, en valeur absolue, pour les créneaux positifs et négatifs. La valeur de consigne le est réglable entre 0 et 60 A par pas de 0,1 A par exemple.
Le circuit de commande 15 est adapté pour commander les commutateurs Ql à Q4 des étages secondaires pour mettre en série au moins un étage secondaire et établir un courant dans la charge 7. Un moyen de mesure du courant circulant dans la charge, par exemple un capteur de courant à effet Hall ou à boucle de ogowski (non représenté) placé autour de l'une des lignes 5 ou 8 d'alimentation de la charge permet de fournir une valeur réelle du courant circulant dans celle-ci. En fonction de l'écart entre cette valeur réelle et la valeur de consigne, le circuit de commande est programmé pour mettre en œuvre deux stratégies de réglage distinctes et complémentaires.
Dans un premier temps, pour opérer un réglage grossier de l'intensité du courant dans la charge, le circuit de commande 15 sélectionne, en fonction de l'impédance estimée de la charge, un groupe d'étages secondaires, dits étages actifs, dont la somme des tensions permet de faire circuler dans la charge un courant au moins égal à la valeur de consigne le. Les commutateurs des étages actifs sont alors commandés pour que ces étages soient connectés en série en même temps, par exemple en commandant simultanément leurs commutateurs Ql et Q4 à l'état passant et Q2 et Q3 à l'état bloqué. Corollairement, on commande les commutateurs des étages non sélectionnés de manière à isoler leur source de tension du circuit d'alimentation de la charge.
En commandant simultanément les commutateurs Ql et Q4 (respectivement Q2 et Q3) des différents étages secondaires sélectionnés, la mise en série de leurs sources de tension et leur application aux bornes de la charge 7 s'opère au même instant, permettant ainsi de réduire le temps de montée du créneau de courant au travers de la charge. En outre, le circuit de commande 15 peut être simplifié.
Dans un second temps, mais préférentiellement quasi simultanément, on sélectionne parmi les étages actifs au moins un étage secondaire, dit étage de régulation, dont les commutateurs sont actionnés à une fréquence beaucoup plus élevée que la fréquence du signal de courant. Par exemple, alors que la durée Tl est de l'ordre de la seconde, la période TREG de commande de l'étage de régulation est de l'ordre de 50 s. Le circuit de commande 15 commande les commutateurs de l'étage de régulation de manière à mettre en série puis isoler sa source de tension selon la période TREG en modulant le rapport cyclique de la commande de manière à asservir le courant réel circulant dans la charge 7 à la valeur de consigne le.
De manière avantageuse, le circuit de commande 15 est adapté pour choisir l'étage de régulation parmi les étages actifs dont la tension est la plus faible. Par exemple, on choisit comme étage de régulation l'étage actif présentant une tension à vide de l'ordre de 200 V préférentiellement aux étages actifs présentant des tensions de 500 V à 1800 V.
Comme on le constate sur la figure 4a, les étages actifs, par exemple les étages secondaires 20a et 20b fournissant les tensions Ua et Ub sont commandés simultanément et en continu pendant la durée Tl alors que l'étage de régulation, par exemple l'étage secondaire 20n est commandé selon la période TREG- Grâce à l'inductance de lissage 6, en série avec la charge 7, la commande en tout ou rien de l'étage de régulation permet de régler le courant dans la charge 7, avec une grande précision, inférieure à 1% de la valeur de consigne. De plus, comme seul l'étage de régulation est commuté à haute fréquence, le noyau magnétique de l'inductance de lissage 6 ne sature pas, les courants générés par les autres étages actifs se comportant comme des courants continus sur la durée Tl .
A noter que si l'asservissement en courant réalisé par l'étage de régulation s'avère insuffisant, par exemple si le rapport cyclique de commande de l'étage tend vers 1 ou 0, le circuit de commande 15 est adapté pour commander l'insertion en série d'un étage actif supplémentaire ou bien la suppression ou le remplacement d'un des étages actifs par un étage de tension moindre.
A l'issue de la durée Tl, le circuit de commande 15 isole simultanément tous les étages secondaires du circuit d'alimentation de la charge, la tension appliquée aux bornes de celle-ci s'annule ainsi que le courant qui la traverse, pour une durée T2 de relaxation. Pendant cette période, la puissance délivrée par le groupe électrogène peut être dérivée sur une résistance de charge externe (non représentée) pour éviter les à-coups de puissance.
A l'issue de la durée T2, le circuit de commande 15 inverse les polarités des étages actifs pendant la période Tl, en commandant simultanément les commutateurs Ql et Q4 à l'état bloqué et Q2 et Q3 à l'état passant pendant la durée T3. De manière analogue, l'étage de régulation est commandé en modulation de largeur d'impulsion à la période TREG en inversant sa polarité. A l'issue de la durée T3, le circuit de commande 15 isole toutes les sources de tension des étages actifs pour une nouvelle période de relaxation à l'issue de laquelle la séquence reprend au début de T 1.
Ainsi, le générateur selon l'invention et son procédé de mise en œuvre, en mettant simultanément en série des étages secondaires indépendants, de tensions variées, fonctionnant en continu pendant la durée de chaque créneau, permettent de fournir des créneaux de courant régulé avec une grande précision, présentant un taux d'ondulation résiduelle minimum et un temps de montée réduit. Bien entendu, cette description est donnée à titre d'exemple illustratif uniquement et l'homme du métier pourra y apporter de nombreuses modifications sans sortir de la portée de l'invention, comme par exemple utiliser une alimentation électrique du générateur à partir d'un réseau de distribution électrique plutôt qu'un groupe électrogène si le réseau adapté est disponible ou si la mobilité du générateur n'est pas recherchée. En outre, la commande des circuits de commutation des étages secondaires pourrait être opérée par des moyens uniquement électriques ou, en utilisant des commutateurs adaptés pour être directement commandés de manière optique.

Claims

REVENDICATIONS
1/ - Générateur de signaux de courant, adapté pour fournir aux bornes d'une charge (7) des créneaux de courant régulé, de polarité alternée, sous haute tension, comprenant :
- une pluralité de circuits, dits étages secondaires (20),
■ chaque étage secondaire (20) comportant au moins une source (21) de tension continue isolée des sources (21) de tension des autres étages secondaires, et un circuit de commutation (22) comprenant quatre commutateurs (Ql - Q4) organisés en un premier (Ql, Q2) et un second (Q3, Q4) demi -ponts formés chacun de deux commutateurs montés en série entre le pôle positif et le pôle négatif de la source de tension,
■ les étages secondaires (20) étant interconnectés entre eux de telle sorte que le point milieu du second (Q3, Q4) demi -pont de chaque étage secondaire est relié au point milieu du premier (Ql, Q2) demi -pont de l'étage secondaire suivant, les bornes (5,8) de la charge (7) étant respectivement reliées au point milieu du premier demi-pont d'un premier étage secondaire, et au point milieu du second demi pont d'un dernier étage secondaire, et
- un circuit de commande (15), caractérisé en ce que ledit circuit de commande (15) est adapté pour :
■ sélectionner un groupe d'étages secondaires (20), dit étages actifs, en fonction d'une valeur de consigne (le) d'un courant circulant dans la charge (7),
■ commander les commutateurs (Q1-Q4) des étages secondaires non sélectionnés pour isoler leur source (21) de tension,
■ sélectionner parmi lesdits étages actifs au moins un étage, dit étage de régulation,
■ commander les simultanément commutateurs (Q1-Q4) de chaque étage actif, à l'exception de l'étage de régulation, à la fréquence (Tl, T3) des créneaux de courant, de manière à mettre en série les sources de tension de ces étages,
■ commander les commutateurs (Q1 -Q4) dudit étage de régulation selon une fréquence (TREG) supérieure à la précédente, avec un rapport cyclique de commande adapté pour réguler le courant circulant dans la charge à la valeur de consigne (le).
21 - Générateur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la source (21) de tension de chaque étage secondaire comporte un enroulement secondaire (S) d'un transformateur (1 1) alimenté par un étage primaire (10), un pont redresseur à diodes (Dl - D6) et un condensateur de filtrage (CF).
3/ - Générateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le transformateur (1 1) est un transformateur monophasé et en ce que le pont de diode de chaque étage secondaire comporte 4 diodes (D1 -D4).
4/ - Générateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le transformateur est un transformateur monophasé alimenté par un courant monophasé haché.
5/ - Générateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le transformateur (1 1) est un transformateur triphasé et en ce que le pont de diode de chaque étage secondaire comporte 6 diodes (D1 -D6).
6/ - Générateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le transformateur (1 1) est directement couplé à une source de courant triphasé (16).
7/ - Générateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la source de courant triphasé (16) est un groupe électrogène.
8/ - Générateur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les sources (21) de tension des étages secondaires présentent un étagement de leur tension de sortie en circuit ouvert permettant un réglage de la tension de sortie du générateur.
91 - Générateur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les commutateurs (Q1-Q4) sont des transistors bipolaires à grille isolée. 10/ - Générateur selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits transistors sont montés sur des radiateurs à huile.
1 1/ - Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de commande (15) est relié aux commutateurs (Q1-Q4) par une liaison à fibre optique (23 ; 24).
12/ - Procédé de génération de signaux de courant, adapté pour fournir aux bornes (5,8) d'une charge (7) des créneaux de courant régulé, de polarité alternée, sous haute tension, dans lequel on utilise un générateur comprenant une pluralité d'étages secondaires (20) comportant chacun une source (21) de tension continue isolée des sources de tension des autres étages secondaires, et un circuit de commutation (22) comprenant quatre commutateurs (Q1-Q4) organisés en un premier (Q1,Q2) et un second (Q3,Q4) demi-ponts formés chacun de deux commutateurs montés en série entre le pôle positif et le pôle négatif de la source de tension, les étages secondaires étant interconnectés entre eux de telle sorte que le point milieu du second demi -pont de chaque étage secondaire est relié au point milieu du premier demi-pont de l'étage secondaire suivant, les bornes (5,8) de la charge (7) étant respectivement reliées au point milieu du premier demi-pont d'un premier étage secondaire, et au point milieu du second demi pont d'un dernier étage secondaire caractérisé en ce que :
- on sélectionne un groupe d'étages secondaires (20), dit étages actifs, en fonction d'une valeur de consigne (le) d'un courant circulant dans la charge (7),
- on commande les commutateurs (Q1-Q4) des étages secondaires non sélectionnés pour isoler leur source (21) de tension,
- on sélectionne parmi lesdits étages actifs au moins un étage, dit étage de régulation,
- on commande simultanément les commutateurs (Q1-Q4) de chaque étage actif, à l'exception de l'étage de régulation, à la fréquence (Tl, T3) des créneaux de courant, de manière à mettre en série les sources de tension de ces étages, - on commande les commutateurs (Q1-Q4) dudit étage de régulation selon une fréquence (TREG) supérieure à la précédente, avec un rapport cyclique de commande adapté pour réguler le courant circulant dans la charge à la valeur de consigne (le).
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