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. CIRCUIT A TENSION DE CHARGE CONSTANTE.
La présente invention concerne les appareils de chauffage à hau- te fréquence et, en particulier, la production d'une tension de charge con- stante principalement dans les applications de chauffage par pertes diélec- triques.
Dans les appareils de chauffage diélectrique, 1-'impédance de charge a tendance à varier considérablement à cause des effets du champ élec- trostatique sur la matière en charge. L'impédance de charge peut aussi varier, surtout avec les appareils de traitement thermique pour production en grande série utilisant un tapis roulante parce que les dimensions de la matière po- sée sur le tapis varient entre une dimension maximum et une dimension mini- mum. Des variations d'impédance de charge peuvent encore être dues au nombre de pièces sur le tapis qui alimente l'appareil de traitement thermique.Il est très utile que, dans ces conditions la tension aux bornes des électrodes reste raisonnablement constante quand la charge varie de zéro au maximum.
Pour maintenir la tension de charge relativement constante, on utilise habituellement un circuit de commande automatique, qui fait varier un ou plusieurs éléments d'accord du circuit de charge. Un tel circuit de commande automatique ne fonctionne pas sans beaucoup d'ennuis, et il exige, pour son entretien et son réglage, du personnel technique qualifié.Ceci con- stitue un sérieux défaut, parce qu'il se peut que les utilisateurs d'appareils industriels de chauffage diélectrique niaient pas de personnel qualifié pour le réglage et l'entretien.
L'invention a pour but principal de procurer un appareil et un procédé pour maintenir la tension de charge relativement constante, quelle que soit la variation de charge,
Suivant l'invention, le circuit de charge est accordé en paral- lèle à une impédance relativement élevée. Il est cependant accordé en un point éloigné de la résonance parallèle, du côté inductif de la résonance
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parallèle, de telle façon qu'en marche normale de l'appareil de chauffage diélectrique et pour des variations normales de l'impédance de charge, le circuit de charge se maintienne toujours du côté inductif de la courbe de résonance parallèle sans jamais atteindre cette résonance parallèle ni la dépasser du côté capacitif.
Ce circuit de charge à impédance relativement élevée est relié à l'extrémité réceptrice d'une ligne de transmission sen- siblement en quart d'onde, de sorte que l'impédance de charge réfléchie ou impédance de l'extrémité émettrice de la ligne de transmission ait une va- leur relativement faible. L'extrémité émettrice de la dite ligne de transmis- sion est reliée à une source d'oscillations à haute fréquence par un circuit de couplage. Ce dernier est accordé en un point éloigné de la résonance sé- rie de façon que l'impédance effective du circuit de couplage, telle qu'elle se présente à la source d'oscillations, soit relativement élevée comparée à l'impédance de l'extrémité émettrice de la ligne de transmission.
De cette manière, tout changement dans l'impédance de l'extrémité émettrice prove- nant de variations de l'impédance de charge dues aux effets du chauffage dié- lectrique sur la charge n'influence pas sensiblement l'impédance série résul- tante du circuit de couplage. Le courant du circuit de couplage reste donc pratiquement constant. L'impédance de l'extrémité émettrice de la ligne de transmission est en fait une composante série de ce circuit de couplage et le courant du circuit de couplage se confond donc avec le courant de 1'ex- trémité émettrice de la ligne de transmission. En prenant une ligne de trans- mission sensiblement en quart d'onde, le courant de l'extrémité émettrice de la ligne de transmission détermine la tension de l'extrémité réceptrice de la même ligne et, par conséquent, la tension aux bornes du circuit de charge.
En maintenant ainsi le courant de l'extrémité émettrice sensiblement con- stant, la tension de l'extrémité émettrice et donc la tension de charge sont maintenues sensiblement constantes.
L'invention ressortira clairement de la description, donnée ci- après, de formes d'exécution représentées, à titre d'exemple, au dessin an- nexé.
La figure 1..représente schémàtiquement une installation de chauf- fage diélectrique.
La figure 2 est un circuit équivalent d'une partie de l'installa- tion de la figure 1; et
Les figures 3 et 4 montrent les variations que la charge peut su- bir entre les électrodes.
La figure 1 représente un circuit de couplage d'un générateur conforme à l'invention dans lequel un générateur à haute fréquence 10 est couplé, par l'intermédiaire d'un transformateur variable 12, à l'entrée ou extrémité émettrice d'une ligne de transmission 14. Un condensateur de cou- plage 16 est mis en série avec l'enroulement secondaire 18 du transformateur de couplage variable 12. Un condensateur shunt 20 est mis aux bornes de l'en- roulement primaire 22 du transformateur de couplage 12. Un conducteur de la ligne de transmission 14 est mis à la terre. La .sortie ou extrémité réceptri - ce de la ligne de transmission 14 est reliée aux électrodes de chauffage diélectrique 24 entre lesquelles est placée de la matière à chauffer 26.
Une- self d'accord réglable 28 est mise en parallèle sur les électrodes de char- ge 24.
La figure 2 représente un circuit de charge équivalent pour le circuit de couplage du générateur à haute fréquence de la figure 1. L'impé- dance effective 30 du transformateur de couplage 12 est représentée en série avec le condensateur de couplage correspondant 32 et l'impédance résultante 34 de l'extrémité émettrice de la ligne de transmission 14.
Les figures 3 et 4 représentent respectivement une charge à fai- ble impédance capacitive et une charge à capacitance plus élevée entre les électrodes de charge 24.
Avec un appareil de traitement thermique diélectrique dans le- quel le nombre de pièces à traiter soumises réellement au traitement thermi-
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que varie en fonctionnemer-rt, lez effectif du circuit de charge change no- tablement.Quand la charge diminue, ce qui est représenté par la charge de la figure 4 en comparaison de la charge de la figure 3, la capacitance réelle de la charge entre les électrodes augmente et la résistance de charge réelle diminue, ce qui donne une augmentation du Q général de la charge.
Le Q de la charge est égal à l'impédance X de la charge divisée par la résistance R de la charge, conformément à Inéquations
Q charge = X charge (1)
R charge Pour un écartement donné des électrodes de charge 24, quand la quantité de matière chauffée diminue, la capacité réelle de la charge diminue et la ca- pacitance, ou réactance capacitive, de la charge augmente. Quand la quantité de matière chauffée diminue, sa résistance diminue. Par conséquent,, le Q de la charge augmente à cause d'un accroissement de la capacitance et d'une di- minution de la résistance de la charge.
Si on considère le circuit de charge comme comprenant la charge 26 et les électrodes de charge 24 shuntées par la self variable 28, l'impé- dance résultante du circuit de charge a une valeur maximum quand celui-ci est accordé à la résonance parallèle. Pour montrer l'effet du Q de charge
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sur 19impédance du circuit de charge, quand le Q de charge augmente, l'impé- dance de résonance parallèle du circuit de charge augmente.
Comme cela sera expliqué plus loin,, il y a un effet de compD.Sati.àIl'1 ou d'équilibrage dû, d'une part, à l'effet de variation du Q de charge sur l'impédance du circuit de charge,.et, d'autre part, à l'effet de variation de la charge sur l'impé- dance du circuit de charge, quand le circuit de charge est accordé sur le côté inductif de la courbe de résonance parallèle et que la capacité de char- ge diminue.
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Comme le montre la figure:199impédance de l'extrémité réceptrice de la ligne de transmission 14 est équivalente à l'impédance de circuit de charge décrit dans le paragraphe précédent. Il est caractéristique, pour une ligne de transmission sensiblement en quart d'onde que l'impédance de l'ex- trémité émettrice Zs ou impédance de charge réfléchie se présentant aux bor- nes d'entrée de la ligne de transmission, soit une fonction de l'impédance caractéristique Zo de la ligne de transmission et de l'impédance ZR de l'ex- trémité réceptrice.
Ces valeurs sont reliées par le rapport suivant:
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Donc;, si l'impédance du circuit de charge à accord parallèle est relative-
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ment élevée (par exemple,, approximativement égale à 19impédance caractéris- tique de la ligne de transmission ou au double de celle-ci), 1?impédance Z
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de 1?extrémité émettrice de la ligne 14 'est toujours relativement faible.
s
Dans la figure 2 où 19 impédance Zs de 19 extrémité émettrice de la ligne de transmission 14 est représentée schématiquement par un rectan-
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gle 34 en série avec le condensateur de couplage 32 et 19impédance effecti- ve 30 du transformateur de couplage reliant le générateur d'énergie haute fréquence 10 à la ligne de transmission 14, si le circuit équivalent, repré- senté ainsi à la figure 29 est à accord série, mais en un point de la cour- be éloigné dé la résonance série, l'impédance résultante de ce circuit sera
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relativement élevée comparée à 1?impéàanoe Ze de l'extrémité émettrice.
C9est une caractéristique d'un circuit va résonance série que l9impédance atteint une valeur minimum au point de résonance série, et 1-lim- pédance réelle du circuit série est d9autant plus élevée sur son point d9ac- cord est plus éloigné du point de résonance série.
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La théorie sur laquelle l'invention est basée, peut être expo- sée de la façon suivante. L'équation générale donnant la tension à l'extré- mité réceptrice d'une ligne de transmission en fonction du courant et de la tension à l'extrémité émettrice, peut s'exprimer de la façon suivante, si on suppose la ligne de transmission-sans pertes:
ER = Es cos 1 + j IsZo sin 1 (3) où ER est la tension à l'extrémité réceptrice de la ligne de transmission, ES la tension à l'extrémité émettrice de la ligne de transmission, une constante de propagation, 1 la longueur dé la ligne de transmission, ± un terme imaginaire égal à # Is le courant à 1-'extrémité émettrice de la ligne de transmission, et Zo l'impédance caractéristique de la ligne de trans- mission.
En rendant la ligne de transmission sensiblement égale à un quart de longueur d'onde, ER devient une fonction de ISparce que cos ss 1 se rap- proche de cos 90 soit de zéro. La tension ER à l'extrémité réceptrice, c'est- à-dire la tension aux bornes du circuit de charge, peut être maintenue rela- tivement constante, même si l'impédance de charge ZR varie, à condition de maintenir le courant IS à l'extrémité émettrice constante, par l'un ou l'au- tre moyen.
Pour maintenir IS constant, la charge diélectrique 26 avec les électrodes 24 et la self variable 28 en parallèle sur celles-ci sont accor- dées en résonance parallèle de manière à présenter une impédance relativement élevée à l'extrémité réceptrice de la ligne de transmission 14. Il est préfé- rable que le circuit de charge soit accordé sur le côté inductif de la cour- be de résonance parallèle de manière que, lorsque la capacité de la charge varie, le point de fonctionnement du circuit n'atteigne jamais le point de résonance parallèle ni ne le dépasse vers le côté capacitif de la courbe.
Par exemple, quand la capacité de la charge diminue (ce qui arrive facilement en marche normale), le circuit de charge s'écarte encore plus du point de résonance parallèle. Comme cela a été expliqué, une telle diminution de la capacité est accompagnée d'une diminution de la résistance de charge et le Q général du circuit augmente donc. Il s'ensuit que l'augmentation du Q du circuit de charge compense la variation d'impédance du circuit de charge de manière à l'équilibrer en partie, et la variation résultante réelle de l'im- pédance du circuit de charge est plus petite que si le circuit de charge avait été réglé sur le côté capacitif de la courbe de résonance parallèle.
Si l'impédance du circuit de charge est maintenue à une valeur raisonnablement élevée (de l'ordre de deux fois l'impédance caractéristique de la ligne ou plus), l'impédance effective est toujours relativement faible à l'extrémité émettrice de la ligne de transmission 14. Ceci se comprend fa- cilement à l'aide de l'équation de l'impédance d'extrémité émettrice d'une ligne de transmission en quart d'onde (voir équation 2 ci-dessus).
Si l'impédance d'extrémité émettrice Zs est maintenue relative- ment faible grâce à la réflexion de l'impédance de charge dans la ligne de transmission 14, le circuit de couplage du générateur peut être accordé de telle façon, comme il a été dit, que le courant 1 de 1'1 extrémité émettrice de la ligne de transmission 14 soit relativement indépendant de l'impédance d'extrémité émettrice Zs dans la gamme des valeurs nécessaires au bon fonc- tionnement de l'appareil de chauffage diélectrique décrit. On se référera pour cela avantageusement au circuit équivalent de la figure 2. L'impédance d'extrémité émettrice 34 de la ligne de transmission 14 se trouve, en fait, en série dans le circuit de couplage.
Le reste du circuit est constitué par l'impédance effective 30 du transformateur de couplage et l'impédance 32 du condensateur de couplage. Si ce circuit série est accordé loin du point de
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résonance série et donc loin de l'impédance effective minimum de résonance série, l'impédance résultante du circuit peut être rendue relativement gran- de comparée à l'impédance d'extrémité émettrice Zs de la ligne de transmis- sion 14, et très élevée par rapport à des variations raisonnables de cette impédance d'extrémité émettrice Zsdues aux variations propres de l'impédan- ce de charge, On peut donc établir les inégalités suivantes
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jxi - jo Z '-# Zs variaions de ZS (4) S s pour des variations normales d9impédance de charge.
Par conséquent, le courant d'extrémité émettrice IS restera relativement constant et non influencé par toute variation propre des caractéristiques du circuit de charge. Gomme le circuit de couplage travaille loin de la résonan- ce série, la tension produite par le générateur d'énergie haute fréquence 10 doit être suffisante pour donner le courant d'extrémité émettrice IS requis.
Quoique le circuit de charge soit accordé en résonance parallèle afin d'augmenter l'impédance réelle du circuit de charge et donc l'impédance à l'extrémité réceptrice de la ligne de transmission ZR, il n'est pas inté- ressant d'accorder le circuit de charge exactement à la résonance parallèle, pour plusieurs bons motifs. Premièrement, toute variation de charge peut dé- placer le-point de fonctionnement du circuit de charge de .l'un ou de l'autre côté du point de résonance parallèle. Ensuite, dans de très nombreux cas, la fréquence de travail de 1?oscillateur haute fréquence 10 sautera, avant d'a- voir atteint le point de résonance parallele.
De plus, il est considéré com- me préférable de faire travailler le circuit-de charge du côté inductif de la courbe de résonance parallèle, parce que toute variation propre d'impé- dance de la charge 26 a moins d'effet sur l'impédance résultante du circuit de charge et sur l'impédance présentée à l'extrémité réceptrice de' la ligne de transmission.
REVENDICATIONS.
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1. Appareil pour la production d'une tension sensiblement con- stante aux bornes d'une charge variable, spécialement pour les installa- tions de chauffage à haute fréquence, comprenant un circuit de charge à accord parallèle contenant la dite charge et une impédance d'accord mise en shunt sur la charge, une source d'oscillations haute fréquence, une li- gne de transmission dont une extrémité est connectée au circuit de charge, et un circuit de couplage connecté entre l'autre extrémité de la ligne de transmission et la source d'oscillations, le circuit de charge étant accordé au moyen de l'impédance d'accord loin de la résonance parallèle, la ligne de transmission ayant une longueur sensiblement égale à un quart de lon- gueur d'onde,
et le circuit de couplage ayant une impédance relativement élevée comparée à l'impédance de l'extrémité émettrice dela ligne de trans- mission.