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APPAREIL ELECTRIQUE.A DECHARGE.
La présente invention se rapporte à la commande des appareils électriques à décharge, et concerne particulièrement la commande de dispo- sitifs électriques à décharge traversés par des courants de forte intensité.
Dans le brevet américain n 2.516. 570 du 25 Juillet 1950 est dé- crit un dispositif de chauffage auquel le courant de chauffage est appliqué directement à travers des valves électriques à décharge telles que des igni- trons. Quoiqu'un tel dispositif convienne dans de'nombreux cas, ses possibi- lités sont limitées par le courant maximum admissible dans les valves à dé- charge électriques.
Les valves telles que les ignitrons sont capables de con- duire des courants de forte intensitéo Parfois, cependant, le courant deman- dé par la charge dépasse les limites admissibles dans les plus gros igni- tronso Le prix d'ignitrons pouvant conduire de très forts courants est, de plus, important, et là où la charge exige de tels ignitrons, les frais d'ins- tallation et de remplacement des ignitrons sont très élevéso
La présente invention a pour but principal de procurer un systè- me peu coûteux d'alimentation d'une charge demandant un fort courant direc- tement à travers les valves à décharge électriques, et un procédé d'appli- cation du système.
L'invention est basée sur la constatation que la chaleur déve- loppée dans un dispositif à décharge électrique du type à gaz, tel qu'un ignitron ou un thyratron, est proportionnelle à la première puissance (numé- rale) du courant qui le traverse tandis que l'effet utile du courant dans la charge dépend souvent d'une puissance (numérale) supérieure du courante Dans le cas d'une charge chauffante, la chaleur développée est proportion- nelle au carré, c'est-à-dire à la deuxième puissance du courant circulant dans la chargea Cette thèse est fondée sur le fait que la chute de tension de l'arc dans un dispositif à décharge électrique du type à gaz est constan- te et la chaleur y développée est égale au produit du courant par la chute
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de tension d'arc.
Comme la capacité en courant d'un dispositif à décharge à gaz est limitée pratiquement uniquement par la chaleur produite par le pas- sage du courant, la capacité en courant est uniquement limitée par la pre- mière puissance de l'intensité du courant qui le traverse.
On peut faire passer dans un dispositif à décharge un courant d'intensité notablement supérieure au courant normal par intermittence si les intervalles de conduction sont tellement courts en comparaison de la constante de temps thermique de l'appareil que celui-ci n'est pas endommagé par le courant. Entre les moments de conduction, l'appareil refroidit; plus grands sont les intervalles-de refroidissement, plus élevée est l'intensi- té de courant admissible. Le courant pouvant être admis dans un cas donné, est proportionnel à l'efficacité du refroidissement du dispositif à déchar- ge pendant les périodes de refroidissement et par conséquent à la chaleur développée dans le dispositif pendant les périodes de conduction.
Comme la chaleur développée est proportionnelle à la première puissance du cou- rant, la limite de courant admissible pendant les périodes de conduction dépend du courant à la première puissance. Comme l'effet utile produit par le courant dépend d'une puissance supérieure à l'unité de celui-ci, on en a conclu qu'un sérieux avantagé peut être obtenu en faisant fonctionner des dispositifs à décharge à gaz en service intermittent nettement infé- rieur à 100%.
Gela étant, l'invention a pour objet un dispositif dans lequel une source de potentiel fournit du courant d'une intensité sensiblement su- périeure à l'intensité normale pouvant traverser les dispositifs à déchar- ge électriques à gaz. Le courant envoyé dans la charge est, à n'importe quel moment, sensiblement supérieur au courant normal de la charge. Ce cou- rant est aussi nettement supérieur au courant pour lequel les tubes sont prévus. Cependant, les dispositifs sont commandés de telle façon que le courant ne les traverse que,pendant des périodes déterminées et à inter- valles déterminés. Les périodes et les intervalles sont choisis de manière que ni la charge ni les dispositifs ne soient endommagés.
Comme les valves à décharge travaillent en service fractionnai- re, le courant qui les traverse peut être sensiblement plus élevé que le courant de service continu. L'efficacité du courant circulant dans la char- ge étant évaluée au carré ou à quelque autre puissance supérieure à l'uni- té de son intensité et l'échauffement dû au courant étant évalué à la pre- mière puissance de son intensité, toute augmentation notable du courant augmente le rendement du courant et par conséquent celui des valves à dé- charge électriques.
Une forme d'exécution préférée de l'invention est représentée, à titre d'exemple, aux dessins annexés dans lesquels :
La figure 1 est un schéma de connexions d'un appareil utilisé pour l'exécution de l'invention.
Les figures 2 à 8 sont des courbes caractéristiques de diversès valves électrique à décharge des types ignitron et thyratron courants.
L'appareil représenté aux dessins comprend une charge 11 repré- sentée sous la forme d'un dispositif de chauffageo De tels dispositifs de chauffage sont prévus habituellement pour une alimentation déterminée, par exemple, un réseau de distribution à 115 volts, 230 volts, 460 volts ou 2.300 volts. Conformément à l'invention, le dispositif de chauffage est alimenté par les lignes 13 et 15 d'une source de potentiel sensiblement plus élevé que celui pour lequel le dispositif 11 est prévu. Par exemple, un appareil de chauffage prévu pour 230 volts peut être alimenté par un réseau à 460 volts. Le dispositif 11 est alimenté par les lignes 13 et 15 à travers une paire d'ignitrons 17 et 19 connectés en anti-parallèle.
Quoique l'invention s'applique principalement à l'utilisation d'ignitrons 17 et 19, il y a des cas où le courant exigé par la charge est suffisamment faible pour permettre l'emploi de thyratronso L'emploi de thy- ratrons dans un système du type décrit ne sort pas du cadre de l'invention.
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L'allumage des ignitrons 17 et 19 est commandé par les thyra- trons respectifs 21 et 23. L'anode 25 de chaque thyratron d'allumage 21 ou 23 est reliée à l'anode 27 de son ignitron associé 17 ou 19, respective- ment, par l'intermédiaire de commutateurs 29 et 31, respectivement. Chaque commutateur a un secteur conducteur 33 et un secteur isolant 35. La longueur des secteurs conducteur et isolant respectifs est choisie de façon à cor- respondre au service d'alimentation de l'appareil de chauffage.
Les thyratrons d'allumage 31 et 33 reçoivent un potentiel de commande d'un enroulement secondaire 39 d'un transformateur auxiliaire 41 à travers un circuit déphaseur. Celui-ci comprend un rhéostat 43 et une self 45 reliés en série et mis aux bornes du secondaire 39. Le point com- mun 47 de la self et du rhéostat est relié à une extrémité du primaire 49 d'un transformateur de commande 51, et une prise intermédiaire du secon- daire 39 est reliée à l'autre extrémité de l'enroulement primaire 49. Le potentiel fourni au primaire 49 est déphasé par rapport à la tension de. ligne, d'un angle dépendant du réglage du rhéostat 43.
Le transformateur de commande 51 a deux secondaires 55 et 57, le secondaire 57 étant inséré entre l'électrode de commande 59 et la ca- thode 61 d'un des thyratrons d'allumage 23 par l'intermédiaire d'une source de tension de polarisation appropriée 63 et d'une résistance de limitation de courant 65. L'autre secondaire 55 est relié entre l'électrode de comman- de 59 et la cathode 61 de l'autre thyratron d'allumage 21 par l'intermé- diaire d'une source de tension de polarisation 67, une partie d'un autre secondaire 69 du transformateur auxiliaire 41 et un second rhéostat 71. Ce- lui-ci est réglé de façon qu'un potentiel soit appliqué dans le circuit de commande du thyratron 21 avec une polarité telle qu'il contrebalance l'ef- fet de la tension d'alimentation dans ce circuit.
Les secteurs conducteurs 33 des commutateurs 29 et 31 sont ré- glés de façon que les anodes 25 des thyratrons d'allumage 21 et 23 soient connectées simultanément aux anodes 27 des ignitrons associés 17 et 19 res- pectivement. Pendant que ces anodes sont ainsi connectées, les thyratrons d'allumage sont rendus conducteurs à des moments déterminés par le réglage du circuit déphaseur 43-45 pendant les demi-périodes alternatives du ré- seau 13-15= Les ignitrons 17 et 19 sont alors rendus immédiatement, mais respectivement, conducteurs et font passer le courant dans la charge 11.
Une fois que les ignitrons sont conducteurs, ils réduisent la tension aux bornes des thyratrons d'allumage 21 et 23 respectifs, et ceux-ci devien- nent non conducteurs. Les commutateurs 29 et 31 sont réglés de façon à ou- vrir et fermer les circuits anodiques des thyratrons d'allumage 21 et 23, respectivement, pendant que ceux-ci ne sont pas conducteurs. Comme les thy- ratrons d'allumage sont conducteurs pendant de très courts intervalles, il n'y a pas de difficulté à ce réglageo
La charge est alimentée par intermittence à travers les igni- trons 17 et 19 pendant des périodes espacées. Les durées de ces périodes et des intervalles qui les séparent, et par conséquent le régime, sont dé- terminés par la conductivité des thyratrons 21 et 23.
Le régime dépend prin- cipalement des longueurs relatives des secteurs conducteurs et isolants 33 et 35 des commutateurs 29 et 31. Le circuit déphaseur 43-45 sert à suppri- mer, quand la charge est réactive, les transitoires dus à l'allumage des ignitrons 17 et 19 dans les demi-périodes successives du réseau 13-15. Le régime peut cependant, dans de nombreux cas, être défini totalement ou en partie par le réglage du circuit 43-45. Quand le régime est entièrement commandé par le circuit 43-45, les anodes des thyratrons d'allumage sont reliées directement aux anodes des ignitrons associés.
Les ignitrons 17 et 19 (ou thyratrons analogues) sont choisis en fonction des exigences de la charge 11 et du potentiel du réseau 13-15, suivant les courbes caractéristiques des figures 2 à 8. Gomme toutes les courbes se ressemblent, il suffira, pour expliquer ce côté de l'invention, d'analyser une de ces courbes, à la figure 4 par exemple. Dans les courbes de la figure 4, la valeur efficace du courant conduit dans une paire d'i- gnitrons est portée verticalement et le régime des ignitrons est porté
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horizontalement. Quatre courbes sont données pour quatre ignitrons différents.
Les ordonnées des courbes correspondant à n'importe quelle abscisse sont les intensités de courant que les ignitrons peuvent supporter sans danger pour le régime indiqué en abscisses. Les ignitrons dont les courbes sont représen- tées sont vendus par la Westinghouse Electrie Corporation et peuvent être identifiés par leur référence consistant en un WL suivi de deux nombres. Ils peuvent aussi être définis par leur puissance A, B, C ou D, comme indiqué sur les courbes. Ainsi, un ignitron de dimension D capable de laisser pas- ser 100000 ampères à un régime d'environ 7% est dénommé WL 5553/655.
Les courbes portent aussi une référence de régime moyen en tempsil est souhai- table que les ignitrons recherchés pour un service donné soient utilisés au régime pour lequel ils sont choisis, régime basé sur le temps indiqué sur la courbe. L'expérience a montré que des ignitrons ayant certaines caracté- ristiques pour un régime à 100%, peuvent être utilisés avec une charge exi- geant des ignitrons ayant une puissance beaucoup plus élevée pour un régime à 100%, à condition de les employer à un régime convenable.
Afin de faire comprendre les avantages de la présente invention, soit un cas où une charge prévue pour 230 volts consomme dans ces conditions 230 ampères. Une telle charge peut être alimentée au moyen d'ignitrons de dimension B, WL 5551/652. La courbe caractéristique de tels ignitrons est représentée à la figure 6. Comme cette courbe le montre, deux ignitrons de ce type sont capables de laisser passer 125 ampères efficaces à un régime de 100% et ne peuvent donc pas convenir pour un régime à 100% dans l'exem- ple choisi. A un régime à 25% au contraire, les mêmes ignitrons peuvent con- duire 460 ampères efficaces (point Z de la figure 6). Une analyse montre que 460 ampères à un régime de 25% ont le même effet que 230 ampères à un régime continu.
Si R est la résistance de l'appareil de chauffage, la chaleur développée dans une charge alimentée par des ignitrons à un régime de 100% vaut 12R .
2T(
EMI4.1
ou R f2'if 2(125j2 sinwtdt = 4R (125) 0 2(125) sin met 4i1'R (125) A un régime de 25% la chaleur développée vaut 2# .
R 2(460) sin 2 wtdt = 4# R (460) = 4 R (230) 4 #). 4 L'intensité réelle du courant à un régime à 100% est donc 125.Celle à un régime à 25% est 230. A ce dernier régime la charge 11 prend, sans dommage pour les ignitrons, un courant dont l'effet calorifique est équivalent à celui d'un courant de 230 ampères à régime continu. Le rapport entre les courants conduits par les ignitrons de dimension B à 25% et à 100% de régi- me est 230/125 ou 1,84
En attaquant la charge sous 460 volts, celle-ci est alimentée par les lignes de réseau 13 et 15 à travers des ignitrons de dimension B de la façon indiquée à la figure 1. Les ignitrons sont rendus conducteurs à des intervalles et pour des périodes telles que le régime réparti sur 7,5 secondes est 25%.
Le courant passant dans les ignitrons au moment de la conduction est réglé à 460 ampères efficaces. La période de "marche" des ignitrons est choisie telle par rapport au temps nécessaire à dissiper la chaleur de la charge, que l'on évite de brûler la charge par des périodes de "marche" exagérées. Ce but peut être atteint soit en choisissant conve- nablement les commutateurs 29, 31, soit en réglant convenablement le cir- cuit déphaseur.