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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.
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Power circuits for high frequency electronic converters.
The invention relates to frequency changers to electronic converters for directly transforming an alternating current of one frequency into an alternating current of another, preferably higher, frequency. More particularly, the invention relates to frequency converters using electronic gas or steam valves, thanks to which it is possible to obtain a flow rate in kilowatts greater than that economically achieved with high vacuum tubes.
The invention finds a wide field of application in the field of supplying induction furnaces operating with frequencies of plus or minus 1,000 to 2,000 periods.
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per second. In this frequency range, rotary motor-generator units have low efficiency and uninteresting regulation characteristics, and high vacuum oscillator tubes cannot be used economically.
In a preferred embodiment of the present invention, two groups of electronic valves are provided, the anode circuits of each group being connected to the different phases or lines of the input circuit, and a separate cathode bus bar being. combined with an output transformer or a reactance whose primary winding is provided with a center tap which is preferably connected by the intermediary of a choke, to the neutral point or medium voltage point of a power transformer used in the input circuit.
The high frequency output load or circuit is connected to the output transformer.
Another characteristic of the invention is the use of a switching capacitor. preferably placed in parallel on the primary of the output transformer, according to an arrangement such as that described.
High frequency electronic converters according to the invention have been used with success where other power circuits have been found to be inoperable.
The present invention can be applied to hot cathode gas valves ;, or ignitrons, that is to say to valves with excitation electrodes commonly referred to as igniters.
Appropriate hot cathode gas valves will allow the electronic converter to operate efficiently. in a frequency range of up to 3,000 cycles, or more, where installations do not require excessively high powers. Special ignitrons will give the converter a higher flow capacity, but under the present conditions,
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, it will not be able to operate at frequencies higher than 1500 or 2000 periods per second.
The invention will become clear from the following detailed description of two selected embodiments, shown, by way of example, in the accompanying drawings.
Figures 1 and 2 are simplified diagrams giving the essential characteristics of two different electronic conversion systems, switches, voltage regulators and other known elements which are not necessary for an understanding of the present invention being omitted.
Figure 1 shows the basic characteristics of the power circuits and the excitation circuits of a converter system, using six ignitron tubes, 1 to 6, fed by a three-phase input circuit 7 driven in turn by a power transformer 8 at commercial frequency, of which the primary windings 9 are connected in delta and the secondary windings 10 in zig-zag with neutral point 11.
The secondary windings 10 feed the three-phase input circuit 7 of ignitrons 1 to 6.
Ignitrons are arranged in two groups, 1, 2 and 3 on the one hand and 4, 5 and 6 on the other. Each phase of the input circuit 7 is connected to the anode circuits of two ignitrons, one in each group. The three cathode circuits 15 of tubes 1, 2 and 3 of the first group are connected to a cathode bus bar 16; that the three cathode circuits 15 of tubes 4, 5 and 6, of the other group, are connected to another cathode bus bar 17.
According to the present invention, a high frequency load circuit is connected to the two cathode bars 16 and 17, by means of an output transformer or reactance 20, the primary winding 21 of which has a middle tap, this point
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medium 22 being connected to the neutral point 11 of the secondary winding 10 of the power transformer 8, preferably through a direct current reactance 23 which reduces the flow of fundamental and harmonic currents of high frequency in the power transformer 8, and therefore helps. reduce any pulsation in the high frequency output voltage wave.
The output circuit 24 of the converter is represented as being fed by a secondary winding 25 of the output transformer 20 and as being connected to an induction furnace 26 shown schematically by an inductor 27 and a resistor 28.
In most cases, a switching capacitor 30 will have to be used to switch, or at least to assist in high frequency switching, the output currents of the converter. As shown in figure 1, the switching capacitor 30 connects the two bus bars 16 and 17 and is therefore located at the terminals of the primary winding of the output transformer 20. A second capacitor 31, serving to correct the factor of power, is usually put across the. load of the induction furnace 26, that is to say at the terminals of the secondary of the output transformer 20.
It is possible to omit one of the capacitors 30 or 31, and to use the remaining capacitor to fulfill the role of both ;, but it is then necessary to increase its dimensions accordingly. However, it is usually more economical to use capacitor 31 to bring the power factor of the load in the vicinity of unity and to use capacitor 30 just for switching, so as to charge alternately, first in one direction and then in l 'other, during the successive half-periods of the.
output frequency, cutting off the output current at the end of each half
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period of the output frequency, thus turning off, or switching, the load currents flowing through the main anode-cathode circuits of the various tubes 1 to 6, depending on the tube which carries the current at the time considered.
When the present invention is applied to ignitrons, it is preferable to use a special excitation control circuit, which will be described in detail hereinafter, but it is obvious that the present invention is not limited to a any type of excitation control. The special excitation circuit, used for converter tubes 1 to 6, is as follows.
Each tube, in addition to its anode circuit 14 and its cathode circuit 15, is provided with a control or protection grid 33 placed very close to the anode, an igniter 35 and an anode or auxiliary electrode 36. A small circle or dot 37 drawn inside each tube design is used to conventionally indicate the presence of gas or vapor or some other means of rendering the igniter or other tube control electrode inoperative, at the general point of view, in order to stop the priming of the tube, once this priming has started. The outer grid 34 serves as the deionization surface for the inner control grid 33. The spacings between the grid and the anode and between the two grids will be as small as mechanically possible, usually a quarter of an inch (6 mm).
Very thin screens will have small holes, usually between an eighth and a quarter of an inch (3 to 6 mm) in diameter. Thanks to these precautions, the grids will more easily control the tubes at the high frequency rate.
The excitation currents for the different igniters
35 of the tubes 1 to 6 are fed by a group of three single-phase excitation transformers 40 forming starting circuits and
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six isolation transformers 41 for coupling the igniters.
The number of failed ignitions can be reduced by connecting the coupling transformers of the igniters 41 in pairs in series, so as to ignite both igniters which must ignite at the same time. The serial connection has the advantage due, if one of the two igniters does not ignite also
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quickly oue the other, the 811urneu -: - at hard starting receives a double tension.
The series starting effect can be obtained by different means, nar exe-uple, by means of a mid-tap iF2 enubalancing winding, connected between each secondary of the excitation transformer 40 and both. tr;: msfor1l3.- coupling switches 41 which supply the two igniters 35 yes must be excited by this winding of the excitation transformer.
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The uri'l1Eires windings of the transformers ;? excitation 40 are supplied by an auxiliary three-phase line 43 connected to the secondary windings of an au-
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xi lL, ire À. /, whose uri: na ires windings are connected to the network 13.
Jes te 1ms d 'a :: 1Orcement, in the cycles to the. input frequency, are advanced or delayed by means of variable saturation inductors 45,: nized in series with each of the three secondary windings of the transformers. excitation 40, the saturation of these inductors being adjustable by means of a direct current saturation winding 46, excited by a battery 47
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by llînLeri, -'- ', dîaire of an adjustable rheostat 48.
During chs <q: ae half-starting cycle, the voltage supplied as the winding, the secondary end of the excitation transformer 40 is formed by a capacitor 49 which stores energy and which is placed in parallel on the circuit of excitement of
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priming. For a valve to operate, a fixed saturation inductor 50 must be put in series between capacitor 49 and the two igniter coupling transformers 41 which are supplied by this circuit. At a determined time of the half-cycle, this' saturation inductor 50 becomes saturated, therefore suddenly losing its impedance, and allowed the capacitor 49 to discharge a large current pulse in the transformers 41 for the coupling of the igniter.
The secondary winding of each igniter coupling transformer 41 delivers only the positive peaks of its current to the igniter 35 of the associated main tube forming part of the group of tubes 1 to 6, this operation being done by means of a rectifier 51 connected in series. A return path for the current due to the decreasing flux of the coupling transformer 41 is produced in a known manner by means of a rectifier 52 connected to the terminals of the secondary of the transformer.
As the conversion starts from a relatively low frequency and ends at a relatively high frequency, each low-frequency conduction period of each tube, must be broken down into a number of conduction and non-conduction periods at the high frequency rate. .
. The grids 33 and 34 of each of the converter tubes 1 to 6 are used to alternately block and release the ignition of the various tubes at the rate of the output frequency. The two grids 33 and 34 of each tube are fed together by the same high frequency source through separate resistors 53 and 54 in series with them, so that the two grids can assume different potentials as a function of the currents of. grid that run through them.
It is possible to use, to supply the grids 33 and 34 to
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the desired output frequency, a suitable source of high frequency. As an exe = :: j> 1e, we have represent a generator c?. 'Osci: la.-tïcïls 55 Which is, or which can be of uy, usual type requiring no explanation detailed.
Hinder it. ", Their ci'osciilz.tioi # s 55 has two output windings 56 and 57 serving to force two output frequency circuits of opposite potentials, one being positive while the other is negative.
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The grid corjaande circuits also include negative bias batteries 58 and 59 respectively, one of these bias batteries 58 serving one.
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groups of converter tubes 1, 2, 3, while the other 2 polarization bank 59 serves the other group 4, 5, 6.
As each of the two groups of converter tubes has its own large cathode circuit 16 or 17, common to. all the tubes of this group, the grids 33 and 34 of all the tubes of each group can be supplied by the same high frequency source.
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quence. Thus the grids of the tubes 1, 2, 3 are supplied by 7¯'en.rcule, ¯ent output at high frequency 56, in series with the negative polarization battery 58; while the grids
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Tubes 4, 5, 6 are fed by high frequency output winding 57, in series with the negative SO13r1SF! tlOïl battery 59.
Dan; ', a c # -. ciL 'e à¯' e x e; #ip 1- e, bctterics 58 and 59 give i <r. <3 negative bias of about 100 volts combined with a peak oscillator voltage of about
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200 volts exiting at the terminals of each of the output windings 56 and 57 this is the csc5.11, '1tor; it must be re :: Lnrcluc1 'that the invention is in no way limited to particular voltage values.
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C # ll: c the eli llu: n0ur 35 of each of the conversion tubes is only supplied once per input frequency period,
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and since the time during which this igniter is traversed by a current is only a small part of the input frequency period, it is obvious that the part of the input frequency period during which a converter tube can be started, by the control effect on the grids, at the rate of the high frequency, will be limited to the same small part of the low frequency cycle during which the igniter is traversed by the current, unless one does intervene appropriate devices. The invention therefore uses, for this purpose, an auxiliary anode 36 in each tube;
but in contrast to the usual methods, it is usually or often useful to provide a wide phase slip adjustment, for the firing angle, such as by means of a rheostat 48. For this to happen. realizes, the auxiliary anode 36 (see fig. 1) is energized so as to maintain a strong sustaining arc between it and the cathode for 120 degrees of the input frequency period, plus the switching angle at the input frequency of the tubes, which can represent approximately
10 to 20 degrees.
Thus, in FIG. 1, the auxiliary electrodes 36 of the six converter tubes (1 to 6, are supplied by a group of single-phase transformers 60 of the maintenance circuit.
The three primary windings of the transformers of the maintenance circuit are supplied by the auxiliary three-phase line 43 at input frequency. Each of the three transformers 60 in the sustaining circuit has a number of secondary windings; these are shown as two. groups of windings connected in zig-zag 64 and 65, with neutral points
66 and 67 respectively connected to cathode busbars 16 and 17.
The various phase ends of the winding
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zig-zag 64 serve to supply the auxiliary anodes 36 of converter tubes 1, 2 and 3, via separate current-limiting resistors 68, while the various phase ends of the zig-zag winding 65 feed the auxiliary anodes 36 of the converter tubes 4, 5 and 6, via their own resistors 68.
In order to obtain in turn each of the converter tubes 1 to, 6, a conduction period for the auxiliary anode equal to or greater than 120 degrees of input frequency, the auxiliary anode 36 of each tube is supplied. , not only by the usual phase circuit, or end, of the transformer 60 of the maintenance circuit, but also by the first circuit.
following phase, in parallel with the first, as indicated in 69, Dar example. The circuits supplying the Auxiliary anodes comprise rectifiers 70 in a charming circuit in series with each of the phase ends of the secondary windings 64 and 65 so as to avoid short-circuiting the windings connected in parallel and to supply only the windings. positive current pulses from the respective windings.
From the point of view of operation of the converter shown, - ', in Figure 1. it should be noted that, although the main converter tubes 1 to 6 are of a type in which neither the two grids 33 and 34 together, nor the igniter 35, nor the auxiliary anode 36, are generally not able to interrupt the current flow of the main circuit in any of the tubes, once (,:
.lE 'the tube has been initiated by establishing, inside it, an arc between the main anode and the cathode, a charging circuit is provided which is capable of periodically interrupting the current of the tube or the are
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main in the tube, at the rate of the output frequency.
In the circuit shown in Figure 1, this current interruption or switching operation is performed in main order by the capacitor 30 connected in parallel.
It should be noted in the control circuits that each of the main converter tubes 1 to 6 ignites once at each input frequency period, by supplying the circuit of its igniter. When the igniter 35 of any tube establishes an ignition arc, the auxiliary anode
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36 of this tube starts almost "instantaneously and forms a sustaining arc which is maintained for 120 degrees of input frequency to which must be added the switching time at input frequency of the tubes, or for any other amount of time necessary or desirable.
Tube switching time is the time required to change the main arc from one input phase to another, and this switching time can be shortened by using a mains 8 to 8 transformer. low reactance, or by other means.
Although grids 33 and 34 are not able, in general, to interrupt the main current in their tube, once this main arc is established, they can nevertheless prevent the establishment of the main arc, if the grids are sufficiently negative with respect to the cathode of the tube, or if the control grid 33 has a potential more negative than a certain critical potential.
Note that the gates 33 and 34 of each tube are driven by a combination of negative bias and single phase high frequency voltage, so that during part of each high frequency period the gates are sufficiently negative to block the initiation or ignition of the main arc in the tube, after which, at a specific point in each high-frequency cycle
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quence, the grids become positive enough to allow the initiation of the tube, provided that there is an arc of initiation is at. igniter 35 is at.
the auxiliary electrode 36, and provided that at the same time the principal anode of the tube is sufficiently uositive with respect to the cathode, at the desired time.
The grids of the tubes in a group of converter tubes, especially tubes 1, 2 and 3, become sufficiently positive to "release" the respective tubes for ignition during the half periods of the output frequency, while the grids of the tubes of the other group, 4, 5 and 6, "release" their tubes during the negative output frequency half periods. Thus, one or more tubes of a group convey current making a half-period of the output frequency ;, while no tube of the other group allows current to flow, the circuit being closed by the current connection con - tiru 22-23. The zig-zag connection of the secondaries 10 of the network transformer prevents direct current from saturating the transformer.
During the next high frequency half period ;, the first group of tubes is not conductive, while the second group conducts current this time.
During this exchange, when power is supplied alternately from the bus bar 16 and the cathode bus bar 17, at the high frequency rate, the condenser 30 connected in parallel alternately charges and discharges first. ¯ in one direction and then in the other, in combination with the DC return path 22-23 to create one. return path for any group of tubes yes conducts the current at a given time and to realize the interruption of the high frequency current
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when the other group of tubes is released,
for any half period of high output frequency.
FIG. 2 represents a variant of the power circuit, according to which a six-phase conversion operation is used. A six-phase power supply is obtained by the hexaphase secondary winding 71 connected in star of the power transformer 72, whose three-phase primary winding in tria.ngle 73 is connected to a three-phase line at commercial frequency 13.
There are twelve tubes from T1 to T12, forming two groups having their separate cathode busbars 16 and 17. Tubes T1 to T6 constitute the first group whose anode connections 14 are connected to the respective phases of the winding. 71 of the six-phase power transformer. The tubes T7 to T12 constitute the second group whose anode circuits 14 are also connected to the respective phases of the six-phase secondary winding 71. Thus one of the secondary ends is connected to the anode circuits 14 of the tubes. T1 and T7 of the first and second groups respectively. The next neighboring phase of the transformer is connected to the anode circuits 14 of the tubes T2 and Tg, respectively, etc.
All cathode circuits 15 of tubes T1 to T6 of the first group are connected to cathode bus bar 16, while all cathode circuits 15 of tubes T7 to T12 are connected to cathode bus bar 17.
The charge circuit, in figure 2, is connected to the two cathode bars 16 and 17, respectively, the same as in figure 1, except that the primary side of the charge circuit does not have the capacitor 30 of Figure 1, to show that its role can be assumed by a capacitor 31 of
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larger secondary circuit in parallel with the load.
The control circuits, at the. figure 2, are essentially those of figure 1 so that it suffices to point out that in figure 2, the six isolation transformers 41 which feed the igniters are physically put in series in pairs and connected to the windings secondary of the three excitation transformers 40, instead of using balancing chokes 42 as in. figure 1.
In fig. 2, since there are twelve converter tubes, connected in two hexaphase groups, instead of six tubes ;, connected in two three-phase groups, as in figure 1, the secondary windings of the isolation transformers 41 for the coupling of the igniters. as well as the secondary windings of the transformers 60 of the maintenance circuit are mid-tap windings each of which serves two diametrically opposed igniters or auxiliary anodes, as the case may be, as will be readily understood.
In FIG. 2, also, the sustaining circuits are arranged so that each auxiliary anode is supplied to only one phase of the transformers 60 of the sustaining circuit, and the rectifiers 69 of the sustaining circuit have been omitted not being. no longer needed. This gives a maintenance circuit, in FIG. 2, it will not remain naked for so long in the maintenance circuit of FIG. 1, which means that the system of FIG. 2 will not be able to see its voltage regulated in an extent also the average rheostat of the rheostat 48 of the . self at saturation; than it was in Figure 1.
The system in Figure 2 is suitable for applications that do not require the additional range of voltage regulation.