Installation comprenant un générateur de haute tension
Cette invention concerne une installation comprenant un générateur de haute tension pour la production et la transmission d'énergie électrique.
Selon l'invention, cette installation est caractérisée en ce que ledit générateur comprend une colonne formée de bobines similaires électriquement isolées l'une de l'autre et disposées le long d'un axe commun, les bobines adjacentes de la colonne étant couplées magnétiquement l'une à l'autre, la bobine située à une extrémité de la colonne étant reliée à une source de courant alternatif qui alimente directement cette bobine, chaque bobine de la colonne étant reliée à une capacité pour constituer un circuit oscillant à une fréquence de résonance, dont la relation par rapport à la fréquence du courant alternatif de la source est telle qu'un maximum de puissance est transmis successivement à la manière d'une onde progressive, entre les bobines adjacentes de la colonne, à partir de la bobine directement alimentée à une extrémité de la colonne.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, quelques formes d'exécution de l'objet de l'invention.
La fig. 1 est une coupe centrale longitudinale traversant un générateur de haute tension faisant partie d'un premier mode de réalisation;
la fig. 2 est un graphique sur lequel l'importance de la composante d'induction magnétique le long de l'axe du dispositif représenté sur la fig. 1, est calculée sur cet axe aux temps t = t1 et t =
la fig. 3 est une coupe transversale suivant la ligne 3-3 de la fig. 1
la fig. 4 est un schéma de circuit représentant le circuit électrique d'une partie de l'appareil des fig. 1 et 3;
la fig. 5 est un schéma de circuit représentant le circuit électrique d'une autre partie de l'appareil des fig. 1 et 3;
la fig. 6 est un schéma de circuit représentant le circuit de l'appareil des fig. I et 3 dans sa totalité;
;
la fig. 7 est une vue semblable à celle de la fig. 1 et représentant un autre mode de réalisation;
la fig. 8 est une vue semblable à celle de la fig. 1 et représentant encore un autre mode de réalisation, et
la fig. 9 est une vue en coupe transversale suivant la ligne 9-9 de la fig. 8.
En se reportant aux fig. 1 et 3 le générateur de haute tension 1 est constitué de plusieurs unités identiques 2, chaque unité comprenant une paire de bobines 3, 4. Les unités 2 sont disposées ou empilées de façon à former un assemblage généralement cylindrique, adjacentes à des unités isolées électriquement l'une de l'autre mais accouplées magnétiquement d'une façon à décrire en détail ci-après. Un grand disque de ferrite 5, 6 peut être monté à chaque extrémité de l'assemblage pour limiter le champ magnétique aux extrémités de l'assem- blage. Le disque de ferrite 6 à l'extrémité haute tension de l'assemblage est enfermé dans une borne haute tension 7 à contour arrondi pour éviter des concentrations inutiles de champ électrique.
La partie principale de chaque unité 2 est une bobine principale 3 qui peut être enroulée suivant des techniques bien connues et coulée dans une résine époxyde 8 pour fournir un isolant et une rigidité supplémentaires.
Il existe un condensateur 9, relié en parallèle avec chacune de ces bobines, comme le représentent les fig. 4 et 5, de façon à former un circuit capable d'oscillation.
Une bobine secondaire 4 dont les enroulements tournent en sens inverse de ceux de la bobine 3 est reliée en série à chaque bobine primaire 3. Le rôle de la bobine 4 est d'emprisonner le champ magnétique dans son espace intérieur de façon à éviter un chauffage par induction des pièces métalliques extérieures.
Une source de tension alternative 10 est reliée par l'intermédiaire du condensateur 9 de l'unité à une extrémité de l'assemblage, laquelle unité doit, en général, être à la masse. La tension alternative ainsi appliquée produit des oscillations dans la première unité 2. Du fait du couplage magnétique entre unités adjacentes, des oscillations prennent naissance dans les autres unités. C'està-dire que l'énergie oscillante est transmise d'unité à unité de la même façon, en grande partie, que l'on transmet une énergie mécanique le long d'une succession de pendules dont les tiges sont reliées par des ressorts. Le nombre de tours dans chaque unité, et par là son inductance, est choisi de façon à donner le rapport voulu courant-tension à une puissance donnée. La fréquence de résonance de chaque unité peut être déterminée par réglage des condensateurs séparés 9.
En général, la transmission d'énergie d'unité à unité se produit d'une façon telle qu'une onde mobile se crée dont on peut observer la présence par le changement de phase des oscillations d'une unité par comparaison à celles des autres unités. Les variations de phase d'unité à unité-produiront une forme d'onde sinusoïdale qui se déplace le long de l'assemblage avec une certaine vitesse de phase et à laquelle se trouvera associée une certaine longueur d'onde. Comme on l'a indiqué, la fréquence de résonance de chaque unité est déterminée par le choix du condensateur 9 et la fréquence réelle des oscillations est déterminée par la source de tension 10.
La transmission maximale d'énergie a lieu à une valeur particulière de la capacité pour les condensateurs 9, laquelle peut être déterminée de façon empirique mais devra toujours être telle que la longueur d'onde soit de l'ordre de grandeur du diamètre de la bobine 4 ou quelque peu plus longue.
La forme de l'onde mobile est représentée plus clairement sur le graphique de la fig. 2, sur lequel la grandeur de l'induction magnétique B est calculée en fonction de la position sur l'axe de l'appareil des fig. 1 et 3.
Le trait plein montre la variation de l'induction magnétique axiale en fonction de la position sur l'axe à un moment t = t1 tandis que la ligne pointillée représente la même variation plus tard au temps t = t2. Ainsi, on voit qu'avec l'écoulement du temps, la courbe de l'induction magnétique axiale se déplace sur l'axe X à une vitesse qui est égale au produit de la longueur d'onde par la fréquence d'oscillations. I1 importe que les oscillations produisent une onde mobile plutôt qu'une onde fixe si on désire un gradient uniforme - de courant continu. Aussi;-les variations de phase d'une onde mobile entre les unités réduiront la tension totale d'ondulation.
La sortie de chaque unité est redressée et les sorties redressées sont toutes reliées en série de sorte que les sorties courant continu de chaque unité s'additionnent cumulativement pour produire une sortie haute tension.
Dans le circuit représenté sur le dessin, un circuit doubleur de tension est utilisé avec chaque unité.
En se reportant à la fig. 4, pendant la partie du cycle dans laquelle le potentiel du point A est positif par rapport à celui du point B, le courant passera à travers le redresseur Il de façon à charger le condensateur 12.
Pendant l'autre moitié du cycle, quand le potentiel de A est négatif par rapport à celui du point B, le courant traversera le redresseur 13 et chargera le condensateur 14. Ainsi, une différence de potentiel unidirectionnelle s'établit entre les points C et D, laquelle est approximativement le double de la différence de potentiel maximale entre les points A et B. Les condensateurs 9, 12 et 14 de même que les redresseurs Il et 13 sont tous placés dans une enveloppe appropriée 15 qui est montée à l'extérieur et autour de la bobine secondaire 4, comme le représente la fig. 3. Des redresseurs peuvent ou non être reliés à la bobine primaire. La fig. 5 représente l'unité sans redresseurs. Le nombre de tours du primaire peut être différent de ceux des bobines secondaires si un équilibrage voulu par rapport à la source d'énergie 10 l'exige.
Les sorties courant continu de chaque unité 2 aux bornes C et D sont reliées en série et appliquées à la charge, laquelle, sur la fig. 1, est représentée comme étant un tube accélérateur d'électron 16 à filament 17; lequel émet des électrons pour accélération à l'extrémité du tube de mise à la masse. Si le tube accélérateur ét l'empilage du générateur sont dans la même colonne haute tension, comme le représente la fig. 1, un gradient uniforme pour la colonne et le tube est fourni par les connexions avec l'empilage des bobines. Si le tube est dans une colonne haute tension séparée, une résistance 18 est nécessaire dans cette colonne pour fournir une distribution uniforme de la tension.
Ainsi, au moyen de cette résistance 18 de même qu'au moyen de la charge, dont le tube accélérateur 16 sert d'exemple, toutes les unités sont reliées en série du point de vue courant continu, mais sont isolées l'une de l'autre du point de vue courant alternatif.
A moins de fournir une terminaison appropriée à l'extrémité haute tension de l'assemblage, à l'arrivée à l'extrémité haute tension l'énergie courant alternatif sera réfléchie, ce qui aura pour résultat la production d'ondes immobiles. Ceci n'est pas souhaitable car la tension de sortie des diverses unités ne sera pas uniforme d'unité à unité mais ira de zéro pour certaines unités à un maximum pour d'autres unités. Une façon d'empêcher ceci consiste à brancher une charge consommant de l'énergie 19 à l'extrémité haute tension de l'assemblage, comme le représente la fig. 6. Cette énergie est naturellement perdue et réduit ainsi l'efficacité du dispositif.
Un deuxième mode de réalisation de l'invention particulièrement applicable aux accélérateurs en tandem, comprend une seconde série d'unités qui s'ajoute à la série des unités décrites en fournissant, pour ainsi dire, une image ressemblant au premier assemblage. Du point de vue courant alternatif, ceci double simplement la longueur de l'assemblage précédent. Toutefois, en prévoyant simplement un parcours ohmique, auquel on relie les différentes unités, le potentiel courant continu de chaque unité dans cette seconde série peut être obligé à varier successivement de la haute tension à la masse.
De cette façon, le potentiel courant continu de la dernière unité est à la masse qui est le même potentiel courant continu que celui de la première unité. En conséquence, la dernière unité peut être reliée électriquement à la première unité de façon à fournir un couplage courant alternatif ayant pour résultat que l'énergie courant alternatif peut être recyclée, évitant par là la nécessité d'une charge consommant de l'énergie.
En se reportant maintenant à la fig. 7, les séries des unités 30 sont semblables aux unités 2 de la fig. 1 et chacune comprend une bobine primaire 31 et une bobine secondaire 32. Un disque de ferrite est disposé à l'extrémité mise à la masse de l'empilage (voir repère numérique 33). Le disque de ferrite 33 est semblable au disque de ferrite 5 de la fig. 1 et joue le même rôle. A la différence du dispositif de la fig. 1, dans le dispositif de la fig. 7, il n'existe pas de disque de ferrite à l'extrémité haute tension 34 de la colonne, mais une seconde colonne formant une extension de la première est constituée d'une série d'unités 35 formant un empilage qui est la ressemblance frappante de l'empilage des unités 30 et qui se termine par un disque de ferrite 36 mis à la masse.
L'unité 30 à l'extrémité mise à la masse du dispositif est excitée par un générateur de courant alternatif 37 qui est semblable au générateur de courant alternatif 10 représenté sur la fig. 5. Chaque unité 35 comprend un condensateur mais ne comprend aucun redresseur. Un certain point de chaque unité 35 est relié à un niveau de potentiel approprié sur un parcours ohmique 38 de façon à le maintenir à un niveau de potentiel de courant continu approprié. Le rôle unique des unités 35 consiste à transmettre l'énergie courant alternatif et, ainsi, elles ne fournissent aucune énergie à une charge.
Les oscillations courant alternatif qui apparaissent dans la dernière unité 35 mise à la masse sont renvoyées à l'unité 30 mise à la masse par les deux conducteurs 39 et 40 qui sont reliés au primaire d'un transformateur de couplage 41 dont le secondaire est relié aux bornes de sortie du générateur de courant alternatif 37.
La seconde série de bobines peut être disposée en extension de la première série ou peut être, autrement, disposée adjacente à la première série. Dans ce dernier cas, le couplage à l'extrémité haute tension doit être électrique au lieu d'être magnétique.
Le refroidissement peut s'effectuer en soufflant un gaz comprimé d'unité à unité à travers des canaux qui s'enroulent en spirale entre les bobines primaires et les bobines secondaires.
Les dimensions types pourraient être de 508 millimètres pour le diamètre extérieur des bobines secondaires et un espace supplémentaire autour de la périphérie extérieure d'une épaisseur d'environ 25,4 mm ou davantage, de façon à ménager de la place pour les condensateurs et les redresseurs.
Parce que la phase varie successivement d'une bobine à la suivante, l'ondulation à la sortie de courant continu est très faible. En outre, parce que, en général, le générateur doit fonctionner à une fréquence élevée de 10 kilocycles par exemple, l'ondulation est d'abord très facilement filtrée.
Les fig. 8 et 9 représentent encore un autre mode de réalisation de l'invention. Dans le mode de réalisation qu'elles représentent, chaque groupe d'unités 42, pour des raisons d'assemblage. est constitué de quatre unités comme on les a décrites ci-dessus, et chacun de ces groupes d'unités 42 comprend deux compartiments 43 destinés aux composants tels que des condensateurs de deux unités (par exemple) et une connexion électrique appropriée (par exemple un simple fil, non représenté) est prévue dans le compartiment pour relier les parties intérieures et extérieures du plan équipotentiel 44 à cet endroit. Chaque groupe d'unités d'assemblage 42 est un ensemble indépendant et le générateur lui-même est uniquement construit par l'empilage du nombre voulu de groupes d'unités 42.
Le mode de réalisation représenté sur les fig. 8 et 9 comprend un tube accélérateur 45 comprenant des segments dont chacun est monté à l'intérieur d'une unité du groupe 42. L'empilage des groupes d'unités 42 est maintenu réuni par un moyen mécanique approprié quelconque et une série de joints appropriés (non représentés) est prévue pour assurer un joint étanche au vide autour du tube accélérateur 45 entre les unités. Comme dans les autres modes de réalisation de l'invention, chaque unité comprend une bobine primaire 46 et une bobine secondaire 47 pour maintenir le champ magnétique à l'extérieur de la bobine primaire 46.
Dans le mode de réalisation représenté sur les fig. 8 et 9, le tube accélérateur 45 qui se trouve à l'intérieur de la bobine principale 46 doit être protégé du champ magnétique, et par conséquent, une seconde bobine secondaire 48 doit être prévue à l'intérieur de la bobine primaire 46 et à l'extérieur du tube accélérateur 45. Comme auparavant, les redresseurs et les condensateurs sont placés à l'extérieur de la première bobine secondaire 47 dans des compartiments spéciaux 43 auxquels on peut accéder pour assurer l'entretien et les réparations quand le groupe d'unités 42 est enlevé de l'empilage.
Ainsi qu'il a été décrit, chacune des bobines peut être reliée à des redresseurs et les sorties en courant continu desdits redresseurs peuvent être connectées en série pour produire du courant continu haute tension. La bobine primaire excite la bobine secondaire à une extrémité de l'assemblage, et les oscillations qui se produisent dans cette bobine sont transmises sur toute la longueur de l'assemblage de bobine en bobine par le couplage inductif. Ainsi, l'induction B se déplace comme une onde mobile sur toute la longueur du transformateur. La longueur d'onde est une fraction quelconque, 1/10 ou 1/20 par exemple, de la longueur de la totalité de l'enroulement secondaire. Une petite partie de l'énergie est envoyée et redressée dans chaque bobine. A titre d'exemple, un mode de réalisation pourrait, par exemple, avoir 100 bobines secondaires produisant chacune entre 30 et 50 kilovolts.
Pour des raisons d'assemblage, les bobines peuvent être empilées une par une, ou bien n bobines peuvent être préassemblées en une unité assemblée, et ces unités assemblées peuvent être empilées. L'installation décrite n'est pas limitée à la production de haute tension, mais comprend d'autres modes de réalisation y compris la transmission d'énergie électrique au moyen ou.aux bornes d'une haute tension. Par exemple, elle peut servir à transmettre de l'énergie électrique de la masse à la borne haute tension d'un accélérateur électrostatique du type à courroie.