EP0550336A1 - Procédé et alimentation électrique pour torche à plasma - Google Patents

Procédé et alimentation électrique pour torche à plasma Download PDF

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EP0550336A1
EP0550336A1 EP92403563A EP92403563A EP0550336A1 EP 0550336 A1 EP0550336 A1 EP 0550336A1 EP 92403563 A EP92403563 A EP 92403563A EP 92403563 A EP92403563 A EP 92403563A EP 0550336 A1 EP0550336 A1 EP 0550336A1
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EP
European Patent Office
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coil
circuit
arc
thyristor
chopper
Prior art date
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EP92403563A
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German (de)
English (en)
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EP0550336B1 (fr
Inventor
Pierre Pasquini
Jacques Nuns
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Electricite de France SA
Original Assignee
Electricite de France SA
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Publication date
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Publication of EP0550336B1 publication Critical patent/EP0550336B1/fr
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H05H1/40—Details, e.g. electrodes, nozzles using applied magnetic fields, e.g. for focusing or rotating the arc
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H05H1/36—Circuit arrangements

Definitions

  • the present invention relates to plasma torches and, more particularly, high power plasma torches whose longevity of at least one of the electrodes is increased.
  • Plasma torches or arc plasma torches are known in the art.
  • This type of torch consists essentially of two tubular and coaxial electrodes, an upstream and a downstream marked with respect to the direction of flow of the plasma which are separated by a chamber.
  • An arc is established between the electrodes and, simultaneously, a plasma gas is injected into the chamber which separates the electrodes.
  • the arc which bursts between the electrodes is maintained and carries the gas at very high temperature and ionizes it.
  • the downstream electrode this gas is driven at a high speed and the plasma that it forms forms the heat transfer agent.
  • Certain types of plasma torch deliver powers between 100 and 500 kW and those to which the invention applies more particularly can produce several megawatts as is necessary for certain industrial applications, for example metallurgical.
  • the electrodes are consumable constituents.
  • the longevity of the electrodes is a function of many parameters. For example, the power of the torch intervenes and more particularly the value of the arc current, the nature of the plasma gas injected because due to its decomposition reactions can take place with the constituent materials of the electrodes.
  • the longevity of the electrodes is also a function of the service of the torch depending on whether it is continuous or discontinuous.
  • the longevity of the electrodes can vary from a few tens of hours for torches of relatively small power to several hundred hours for those of high power which relate more particularly to the invention.
  • the field coil which locally surrounds the upstream electrode is supplied with the aid of a particular electrical circuit. , which is specific to it and which is supplied with variable direct current, the intensity of which changes in stages or gradually and the intensity of which also preferably benefits from a pulsating ripple whose frequency is significantly greater than that of the variation of the direct current to which it is superimposed. It is understood that the use of a special electric supply circuit, autonomous for the field coil which is added to the main supply circuit necessary for the ignition and maintenance of the arc itself, technically complicates and financially increases the cost of the installation.
  • the object of the invention is to solve this type difficulties in ensuring that the control of the displacement of at least one arc foot, in particular the upstream arc foot, on an electrode, in particular the upstream electrode, in order to regularize the wear thereof and increasing its longevity can be obtained without calling on an autonomous circuit, specialized for supplying at least one field coil which locally surrounds one of the electrodes, and preferably the upstream electrode.
  • the subject of the invention is a method for regulating wear in order to increase its longevity, of an electrode of a plasma torch made up, inter alia, of two coaxial tubular electrodes between which an arc is established and which are separated by a chamber into which a plasma gas is injected, from at least one magnetic field coil which locally surrounds an electrode, preferably the upstream electrode marked with respect to the direction of flow of the plasma, from an electrical supply to supply energy to the arc and to the coil, and means for controlling the movement of the foot of the arc on the electrode preferably the upstream foot on the upstream electrode so as to make it describe an alternative longitudinal stroke if necessary vibratory.
  • This process is characterized in that an electrical supply is used with an arc circuit and a coil circuit, this arc circuit and this coil circuit are connected in series, a compound chopper is mounted on this coil at least one capacitor connected to the terminals of the coil and at least one electronic switch which can be placed away from the coil.
  • the invention also relates to a plasma torch, in particular for implementing the method indicated above, consisting inter alia of two coaxial tubular electrodes between which is established an arc, of a chamber which separates these electrodes and into which a plasma gas is injected, of at least one magnetic field coil which locally surrounds an electrode preferably the upstream electrode marked with respect to the direction of flow of the plasma , an electrical supply to supply energy to the arc and to the coil and means for controlling the movement of the foot of the arc on the electrode, preferably the upstream foot on the upstream electrode so as to have him describe an alternative longitudinal stroke, if necessary, in order to regulate wear and increase its longevity.
  • a plasma torch of the type to which the invention applies designated as a whole by the reference 10
  • a chamber 13 separates the electrodes 11 and 12 and it is therein that a plasma gas is injected.
  • At least one coil 14 of magnetic field locally surrounds at least one of the electrodes, preferably the upstream electrode 11 marked with respect to the direction of flow of the plasma, as illustrated by an arrow.
  • a power supply 20 supplies electrical energy to the arc and the coil.
  • this electrical installation 20 comprises two separate autonomous circuits: a circuit 21 more particularly intended for supplying the arc and which can be described as the main power circuit, and a circuit 22 more particularly intended to supply the coil and which can be described for example as an auxiliary circuit.
  • the arc circuit 21 comprises, inter alia, a transformer 210 for example of 2.5 MVA with four secondaries which are each provided with a particular three-phase rectifier 211 for example of the Graetz bridge type with thyristors. Two of these secondaries are for example coupled in a star and two others coupled in a triangle.
  • This circuit always includes a smoothing inductor 212.
  • This circuit also includes, as is usual, protections, disconnectors and circuit breakers whose role is conventional and on which we will not extend.
  • the coil circuit 22 comprises, inter alia, a particular transformer 220 for example of 100 kVA installed and its own rectifier 221 for example a tri or hexaphased Graetz bridge with thyristors and diodes and if necessary a smoothing inductance.
  • this specific circuit 22 which delivers the intensity, at the set value, of the current which feeds the coil 14 in order to control the movement of the upstream arc foot.
  • the power supply 20 now includes an arc circuit 21 and a coil circuit 22 which are connected in series, that is to say which are no longer neither separate nor autonomous.
  • This chopper 32 comprises at least one switch made of a main thyristor 321, a recovery diode 322 and a circuit for defusing the main thyristor with a resonant circuit.
  • This resonant arrangement has a limit operating frequency determined by the capacitance of the capacitor 31 and the impedance in particular the inductance of the connection cables 323 connecting the coil 14 to the electronic switches when the chopper is operating.
  • a circuit 33 for switching assistance is mounted in parallel on the switch made of the main thyristor 321 and the recovery diode 322.
  • This circuit 33 preferably comprises a resistor R3 and a capacitor C3 serial.
  • the chopper can be composed of a capacitor bank 31, at least one GTO thyristor (Gate Turn Off) 321 controllable at switching on and on and at minus a diode 322.
  • the entire chopper can in this case be moved away from the coil.
  • the GTO thyristor can be replaced by a conventional thyristor equipped with an auxiliary circuit of extinction.
  • the supply of the arc with four secondary, two in series and two in parallel allows, depending on the couplings adopted, to deliver 500, 1000 or 2000 A at 4,000, 2,000 or 1,000 V.
  • the arc is supplied with a current of intensity of approximately 1000 A and that thanks to the invention it is possible to deflect an adjustable part of this current in the coil so to be able to control the movements of the arc foot, in particular of the upstream arc foot.
  • transformer, rectifiers and smoothing inductor makes it possible to obtain a direct current with a residual ripple at a frequency multiple of that of the network. In certain cases, one takes advantage of this residual undulation to vibrate on itself the arc foot during its alternating longitudinal scanning of the electrode.
  • the solution adopted makes it possible to maintain the chopper 32 physically far from the coil 14, which makes it possible to overcome the difficulties which would otherwise arise from the impedance and in particular from the distributed inductance of the connection cables 323 which results in the switching of annoying large overvoltages.
  • the capacitor 31 starts to oscillate by the distributed impedance of the connection cables 323 essentially inductive L2 and resistive R2.
  • the capacitor and the cables used are therefore equivalent to a series RLC circuit in which the voltage and the intensity of the current u c1 and i L1 have damped sinusoidal variations.
  • the current in the coil decreases slowly because the distributed impedance of the connecting cables is smaller than that of the coil.
  • the thyristor blocks "naturally". The state of the installation then becomes that shown in Figure 5.
  • the diode 322 is conductive.
  • the oscillating circuit R2C1L2 constituted by the capacitor and the connecting cables performs a second half-oscillation in an attempt to return to the initial conditions of voltage u c1 and of intensity i L1 with quasi-sinusoidal variations.
  • the difference between the intensity I of the current delivered by the installation and that i L1 of that which circulates in the coil, is added to the intensity i L2 of the current in the connecting cables.
  • the capacitor charges and we are in a situation similar to that of the initial situation illustrated in Figure 3, observing however that intensity i L1 of the current flowing in the coil is no longer the intensity I of the current delivered by the installation.
  • the thyristor 321 chopper 32 is controlled at this time sufficiently early so that it can be admitted that the current i L1 has remained practically unchanged; the capacitor C1 is therefore charged with a current of intensity I - i L1 which can be considered as constant.
  • the instantaneous intensity i L1 of the coil stabilizes around a value by oscillating at the thyristor control frequency. It will be observed that the amplitude of this oscillation is small compared to the value of the intensity of the total current flowing in the coil. In steady state, we can therefore repeat the same sequences of the operating process by considering the intensity I L1 of the current in the constant coil.
  • the resonant frequency f0 which is determined by the capacitance C1 of the capacitor 31 and the inductance L2 of the connecting cables 323 fixes a value which must not exceed the frequency f of control of the thyristor 321.
  • this thyristor would remain permanently conductive and in order to be able to block this thyristor and return to normal operation of the chopper, it would then be necessary to stop the current source.
  • this frequency f is not the actual limit value not to be exceeded.
  • the above was used with a 2 MW plasma torch, the power supply of which was ensured using connection cables whose inductance was of the order of 20 ⁇ H and using a capacitor with a capacity of 400 ⁇ F.
  • the natural operating frequency of the chopper was 1780 Hz.
  • the resistance and inductance of the coil were of the order of 70 m ⁇ and 4 mH respectively.
  • the chopper made of diode and thyristor having to support current peaks whose intensity can reach approximately 3000 A under voltages of the order of 500 V, we used several switches according to the invention mounted in parallel in order to take into account skills of trade components.
  • thyristor-diodes bearing the reference CSR 447 were used in the catalog of the company BROWN-BOVERI.
  • a protection or switching assistance circuit 33 is used placed in parallel on the chopper switch 32 as shown in the diagram in Figure 2.
  • This circuit 33 is preferably of the RC type with a resistance R3 and a capacitor C3 in series. Resistors R3, the value of which is between 5 and 10 ⁇ approximately, have been used, for example, and capacitors C3, the capacitance of which is between 0.2 ⁇ F and 1.7 ⁇ F.
  • the trigger current In order to obtain a good engagement of the thyristors 321, it is necessary to properly control the trigger current thereof. It is necessary, firstly, that the trigger is subjected to a peak of current intensity with rapid rise then, then, that the intensity of this current is maintained at a lower value.
  • the arrangements which make it possible to obtain such a command are known in the art, this is why we will not dwell on this point.
  • the intensity of the trigger current reached a value of 3.5 A with a start-up growth of approximately 2.5 A / ⁇ s and was then stabilized at around 0.6 A until the end of the order.
  • the value of the current in the coil is compared to a set value using a conventional control circuit known for example in closed loop with feedback.
  • a conventional control circuit known for example in closed loop with feedback.
  • One type of solution is for example proposed in the aforementioned document.

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Abstract

La torche à plasma (10; 11, 12, 14) comprend une alimentation électrique (20) avec un circuit d'arc (21) et un circuit de bobine (22) qui sont montés en série et avec des moyens (30) pour la commande de l'intensité du courant circulant dans la bobine (22) constitués, entre autres, montés en dérivation sur cette bobine (14) d'un hacheur composé d'une batterie de condensateurs (31) et d'au moins un interrupteur électronique de puissance (32) qui peut être placé éloigné de la bobine. L'interrupteur électronique est de préférence du type thyristor-diode (321, 322) à circuit de désamorçage résonant (31, 323). Une variante de ce hacheur utilise au moins un interrupteur électronique de type thyristor GTO commandable à l'enclenchement et à l'ouverture, ou au moins un thyristor classique équipé d'un circuit auxiliaire d'extinction. Application aux torches de grande puissance à usage industriel par exemple métallurgique. <IMAGE>

Description

  • La présente invention concerne les torches à plasma et, plus particulièrement, les torches à plasma de grande puissance dont la longévité de l'une au moins des électrodes est augmentée.
  • Les torches à plasma ou chalumeaux à plasma d'arc sont connus dans la technique. Ce type de torche est constitué essentiellement de deux électrodes tubulaires et coaxiales, une amont et une aval repérées par rapport au sens d'écoulement du plasma qui sont séparées par une chambre. On établit un arc entre les électrodes et, simultanément, on injecte un gaz plasmagène dans la chambre qui sépare les électrodes. L'arc qui éclate entre les électrodes est entretenu et porte le gaz à très haute température et l'ionise. A la sortie de l'une des électrodes, l'électrode aval, ce gaz est animé d'une grande vitesse et le plasma qu'il constitue forme l'agent caloporteur.
  • Certains types de torche à plasma délivrent des puissances comprises entre 100 et 500 kW et celles auxquelles l'invention s'applique plus particulièrement peuvent produire plusieurs mégawatts comme cela est nécessaire pour certaines applications industrielles par exemple métallurgiques.
  • Dans ce type de torche à plasma, les électrodes sont des constituants consommables. La longévité des électrodes est fonction de nombreux paramètres. Par exemple interviennent la puissance de la torche et plus particulièrement la valeur du courant d'arc, la nature du gaz plasmagène injecté car du fait de sa décomposition des réactions peuvent avoir lieu avec les matériaux constitutifs des électrodes. La longévité des électrodes est, aussi, fonction du service de la torche suivant que celui-ci est continu ou discontinu.
  • La longévité des électrodes peut varier de quelques dizaines d'heures pour des torches de relativement petite puissance à plusieurs centaines d'heures pour celles de grande puissance que concerne plus particulièrement l'invention.
  • Cette longévité, relativement brève, des électrodes est un inconvénient notable en particulier en matière industrielle.
  • Pour tenter de remédier à cet inconvénient, on a proposé d'équiper ce type de torches d'au moins une bobine de champ magnétique qui entoure localement de préférence l'électrode amont, et d'alimenter celle-ci à l'aide de moyens qui permettent de maîtriser le déplacement du pied amont de l'arc sur l'électrode amont de manière à lui faire décrire une course longitudinale alternative à laquelle se superpose de préférence une oscillation ou une vibration du pied d'arc pendant le balayage proprement dit.
  • Une solution de ce type est, par exemple, divulguée par le document FR 2 609 358. Selon la solution proposée par ce document, on alimente la bobine de champ qui entoure localement l'électrode amont à l'aide d'un circuit électrique particulier, qui lui est propre et qui est alimenté en courant continu variable dont l'intensité change par palier ou progressivement et dont l'intensité bénéficie en outre de préférence d'une ondulation pulsatoire dont la fréquence est notablement plus grande que celle de la variation du courant continu auquel elle se superpose. On conçoit que l'utilisation d'un circuit électrique d'alimentation spécial, autonome pour la bobine de champ qui s'ajoute au circuit d'alimentation principal nécessaire pour l'amorçage et l'entretien de l'arc proprement dit, complique techniquement et accroît financièrement le coût, de l'installation.
  • Le but de l'invention est de résoudre ce type de difficultés en faisant en sorte que la maîtrise du déplacement d'au moins un pied d'arc, notamment du pied d'arc amont, sur une électrode, notamment l'électrode amont, afin d'en régulariser l'usure et d'en augmenter la longévité puisse être obtenue sans pour autant faire appel à un circuit autonome, spécialisé pour l'alimentation d'au moins une bobine de champ qui entoure localement l'une des électrodes, et de préférence l'électrode amont.
  • L'invention a pour objet un procédé pour régulariser l'usure afin d'en augmenter la longévité, d'une électrode d'une torche à plasma constituée, entre autres, de deux électrodes tubulaires coaxiales entre lesquelles s'établit un arc et qui sont séparées par une chambre où est injecté un gaz plasmagène, d'au moins une bobine de champ magnétique qui entoure localement une électrode de préférence l'électrode amont repérée par rapport au sens d'écoulement du plasma, d'une alimentation électrique pour fournir de l'énergie à l'arc et à la bobine, et de moyens pour maîtriser le déplacement du pied de l'arc sur l'électrode de préférence le pied amont sur l'électrode amont de manière à lui faire décrire une course longitudinale alternative au besoin vibratoire. Ce procédé est caractérisé en ce qu'on utilise une alimentation électrique avec un circuit d'arc et un circuit de bobine, on monte en série ce circuit d'arc et ce circuit de bobine, on monte en dérivation sur cette bobine un hacheur composé d'au moins un condensateur branché aux bornes de la bobine et d'au moins un interrupteur électronique qui peut être placé éloigné de la bobine.
  • L'invention a aussi pour objet une torche à plasma, notamment pour la mise en oeuvre du procédé indiqué auparavant, constituée entre autres, de deux électrodes tubulaires coaxiales entre lesquelles s'établit un arc, d'une chambre qui sépare ces électrodes et dans laquelle est injecté un gaz plasmagène, d'au moins une bobine de champ magnétique qui entoure localement une électrode de préférence l'électrode amont repérée par rapport au sens d'écoulement du plasma, d'une alimentation électrique pour fournir de l'énergie à l'arc et à la bobine et des moyens pour maîtriser le déplacement du pied de l'arc sur l'électrode de préférence le pied amont sur l'électrode amont de manière à lui faire décrire une course longitudinale alternative, au besoin vibratoire, afin d'en régulariser l'usure et d'en augmenter la longévité. Cette torche à plasma est remarquable en ce que l'alimentation électrique comprend un circuit d'arc et un circuit de bobine, en ce que ce circuit d'arc et ce circuit de bobine sont montés en série, et en ce que ces moyens comprennent montés en dérivation sur la bobine au moins un hacheur composé d'au moins un condensateur aux bornes de la bobine et d'au moins un interrupteur électronique qui peut être placé éloigné de la bobine.
  • D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la lecture de la description et des revendications qui suivent, ainsi que de l'examen du dessin annexé, donné seulement à titre d'exemple, où :
    • la Figure 1 est une vue générale schématique simplifiée de l'installation électrique d'une torche à plasma selon la technique antérieure du document cité;
    • la Figure 2 est une vue partielle schématique d'un mode de réalisation d'une installation selon l'invention;
    • les Figures 3, 4, 5 et 6 sont des vues similaires à celle de la Figure 2 illustrant le comportement et l'état de l'installation dans différentes phases de son fonctionnement pour en faciliter la compréhension;
    • la Figure 7 illustre la variation de l'intensité et de la tension dans certains composants au cours du fonctionnement;
    • la Figure 8 illustre la variation de l'intensité du courant dans la bobine en fonction de la fréquence de fonctionnement du hacheur et
    • la Figure 9 illustre une variante de réalisation d'une installation selon l'invention.
  • Les torches à plasma et les installations électriques destinées à leur alimentation étant bien connues dans la technique, on ne décrira dans ce qui suit que ce qui concerne directement ou indirectement l'invention. Pour le surplus, l'homme du métier puisera dans les solutions classiques courantes à sa disposition pour faire face aux problèmes particuliers auxquels il est confronté.
  • Dans ce qui suit, un même numéro de référence identifie toujours un élément homologue, quel que soit le mode de réalisation ou sa variante d'exécution.
  • Pour la commodité de l'exposé, on décrira successivement chacun des constituants de l'invention avant d'en exposer le fonctionnement et la construction, s'il y a lieu.
  • Comme cela est représenté schématiquement sur la Figure 1, une torche à plasma du type auquel s'applique l'invention, désignée dans son ensemble par la référence 10, comprend deux électrodes 11 et 12 tubulaires coaxiales entre lesquelles est établi et entretenu un arc A. Une chambre 13 sépare les électrodes 11 et 12 et c'est dans celle-ci qu'est injecté un gaz plasmagène. Au moins une bobine 14 de champ magnétique entoure localement au moins l'une des électrodes, de préférence l'électrode amont 11 repérée par rapport au sens d'écoulement du plasma, comme illustré par une flèche.
  • Une alimentation électrique 20 fournit de l'énergie électrique à l'arc et à la bobine.
  • Selon la technique antérieure, par exemple celle exposée dans le document précité, cette installation électrique 20 comprend deux circuits distincts autonomes : un circuit 21 plus particulièrement destiné à alimenter l'arc et que l'on peut qualifier de circuit principal de puissance, et un circuit 22 plus particulièrement destiné à alimenter la bobine et que l'on peut qualifier par exemple de circuit auxiliaire.
  • Comme on le voit, le circuit d'arc 21 comprend, entre autres, un transformateur 210 par exemple de 2,5 MVA à quatre secondaires qui sont munis chacun d'un redresseur 211 particulier triphasé par exemple du type pont de Graetz à thyristors. Deux de ces secondaires sont par exemple couplés en étoile et deux autres couplés en triangle. Ce circuit comprend toujours une inductance de lissage 212. Ce circuit comprend aussi comme il est habituel des protections, des sectionneurs et disjoncteurs dont le rôle est classique et sur lequel on ne s'étendra pas.
  • Le circuit de bobine 22 comprend, entre autres, un transformateur 220 particulier par exemple de 100 kVA installés et son propre redresseur 221 par exemple un pont de Graetz tri ou hexaphasé à thyristors et diodes et au besoin une inductance de lissage.
  • Selon la technique antérieure, c'est ce circuit 22 spécifique qui délivre l'intensité, à la valeur de consigne, du courant qui alimente la bobine 14 afin de maîtriser le déplacement du pied d'arc amont.
  • Comme on le voit sur la Figure 2, selon l'invention, l'alimentation électrique 20 comprend maintenant un circuit d'arc 21 et un circuit de bobine 22 qui sont montés en série, c'est-à-dire qui ne sont plus ni distincts ni autonomes.
  • Selon l'invention, les moyens 30 pour maîtriser le déplacement du pied de l'arc sur l'électrode de manière à lui faire décrire une course longitudinale alternative au besoin vibratoire afin d'en régulariser l'usure et en augmenter la longévité, comprennent, montés en dérivation sur la bobine 14 au moins un hacheur composé d'au moins un condensateur 31 et d'au moins un interrupteur électronique 32 dont il y a lieu de noter qu'il est placé éloigné physiquement de la bobine pour les raisons qui apparaîtront par la suite. Comme on le voit sur la Figure 2, selon l'invention, un tel hacheur 32 comprend au moins un interrupteur fait d'un thyristor principal 321 et d'une diode de récupération 322;
  • Ce hacheur 32 comprend au moins un interrupteur fait d'un thyristor principal 321, d'une diode de récupération 322 et d'un circuit de désamorçage du thyristor principal avec un montage résonant. Ce montage résonant a une fréquence limite de fonctionnement déterminée par la capacité du condensateur 31 et l'impédance en particulier l'inductance des câbles de liaison 323 connectant la bobine 14 aux interrupteurs électroniques lorsque le hacheur fonctionne.
  • S'il y a lieu, un circuit 33 d'aide à la commutation est monté en parallèle sur l'interrupteur fait du thyristor principal 321 et de la diode de récupération 322. Ce circuit 33 comprend de préférence une résistance R₃ et un condensateur C₃ en série.
  • Selon une variante de réalisation illustrée en Figure 9, le hacheur peut être composé d'une batterie de condensateurs 31, d'au moins un thyristor GTO (Gate Turn Off) 321 commandable à l'enchenchement et à l'ouverture et d'au moins une diode 322. L'ensemble du hacheur peut dans ce cas être éloigné de la bobine. Dans cette variante, le thyristor GTO peut être remplacé par un thyristor classique équipé d'un circuit auxiliaire d'extinction.
  • L'alimentation de l'arc à quatre secondaires, deux en série et deux en parallèle, permet selon les couplages adoptés de délivrer 500, 1000 ou 2000 A sous 4 000, 2 000 ou 1 000 V. On relèvera toutefois qu'en condition normale de fonctionnement, en particulier pour des installations industrielles, l'arc est alimenté avec un courant d'intensité d'environ 1000 A et que grâce à l'invention il est possible de dévier une partie réglable de ce courant dans la bobine de manière à pouvoir maîtriser les déplacements du pied d'arc notamment du pied d'arc amont.
  • Pour les raisons que l'on comprendra par la suite, le choix du transformateur, des redresseurs et de l'inductance de lissage permet d'obtenir un courant continu avec une ondulation résiduelle à une fréquence multiple de celle du réseau. Dans certains cas, on tire parti de cette ondulation résiduelle pour faire vibrer sur lui-même le pied d'arc pendant son balayage longitudinal alternatif de l'électrode.
  • Grâce à l'invention, la solution retenue permet de maintenir le hacheur 32 physiquement loin de la bobine 14 ce qui permet de s'affranchir des difficultés qui naîtraient autrement de l'impédance et en particulier de l'inductance répartie des câbles de liaison 323 qui engendre à la commutation des surtensions importantes gênantes. Selon la solution de l'invention, on met à profit cette inductance et c'est cette inductance répartie des câbles de liaison qui est utilisée pour constituer un montage à résonance servant pour la commande de l'interrupteur.
  • On décrira maintenant le fonctionnement de l'installation selon l'invention dans ses diverses phases.
  • Dans la suite on désigne par :
    • L₁ et R₁
    l'inductance et :a résistance, respectivement de la bobine 14
    C₁
    la capacité du condensateur 31
    L₂ et R₂
    l'inductance et la résistance, respectivement des câbles de liaison 323.
  • Initialement, on supposera que l'alimentation délivre un courant I d'intensité constante et que la présence du circuit d'aide à la commutation 33 sur lequel on reviendra par la suite, peut être négligée. L'état initial de l'installation correspond alors à celui qui est schématisé sur la Figure 3. Le courant I étant établi dans la bobine 14, la tension à ses bornes est celle Uc1 du condensateur 31 et la tension aux bornes du thyristor 321 est positive. On a la relation : Uc1 = R₁I. A l'instant t = t₀, le thyristor est enclenché et celui-ci demeure conducteur pendant la durée t₀ à t₁. L'état de l'installation est alors celui qui est schématisé sur la Figure 4.
  • Le condensateur 31 entre en oscillation de par l'impédance répartie des câbles de liaison 323 essentiellement inductive L₂ et résistive R₂. Le condensateur et les câbles utilisés sont donc équivalents à un circuit RLC série dans lequel la tension et l'intensité du courant uc1 et iL1 ont des variations sinusoïdales amorties. Le courant dans la bobine diminue lentement car l'impédance répartie des câbles de liaison est plus petite que celle de la bobine. Le thyristor 321 est donc traversé par un courant sinusoïdal auquel se superpose la valeur du courant dévié de la bobine. Cette phase s'achève lorsque le courant dans le thyristor s'annule à l'instant t = t₁, instant où la tension aux bornes du condensateur est négative et maximale. Le thyristor se bloque "naturellement". L'état de l'installation devient alors celui qui est schématisé sur la Figure 5.
  • Pendant la phase qui s'écoule de l'instant t₁ à l'instant t₂ la diode 322 est conductrice. Le circuit oscillant R₂C₁L₂ constitué par le condensateur et les câbles de liaison effectue une deuxième demi-oscillation pour tenter de revenir dans les conditions initiales de tension uc1 et d'intensité iL1 avec des variations quasi-sinusoïdales. La différence entre l'intensité I du courant délivré par l'installation et celle iL1 de celui qui circule dans la bobine, s'ajoute à l'intensité iL2 du courant dans les câbles de liaison. Quant ce courant iL2 repasse par 0 à l'instant t = t₂, la tension uc1 aux bornes du condensateur retrouve une valeur positive et maximale, mais un peu inférieure à sa valeur initiale R₁I du fait des amortissements résultants de la résistance R₂ des câbles de liaison. La diode 322 se bloque. L'état de l'installation devient alors celui qui est schématisé sur la Figure 6.
  • Pendant la durée qui s'écoule de l'instant t₂ à l'instant t₃, le condensateur se charge et l'on se trouve dans une situation similaire à celle de la situation initiale illustrée sur la Figure 3, en observant toutefois que l'intensité iL1 du courant qui circule dans la bobine n'est plus l'intensité I du courant délivré par l'installation. En principe, la charge du condensateur C₁ est une charge sinusoïdale amortie qui devrait permettre de retrouver la situation iL1 = I et uc1 = R₁I. Toutefois, selon l'invention on commande à ce moment le thyristor 321 hacheur 32 suffisamment tôt pour qu'on puisse admettre que le courant iL1 est pratiquement resté inchangé; le condensateur C₁ se charge donc avec un courant d'intensité I - iL1 que l'on peut considérer comme constant.
  • A l'instant t = t₃ on réenclenche le thyristor 321 pour décrire un nouveau cycle de fonctionnement.
  • On voit donc qu'il est ainsi possible de diminuer progressivement l'intensité du courant de la bobine 14 en modifiant la fréquence de commande du thyristor 321 du hacheur 32.
  • Pour une fréquence donnée, l'intensité instantanée iL1 de la bobine se stabilise autour d'une valeur en oscillant à la fréquence de commande du thyristor. On observera que l'amplitude de cette oscillation est petite devant la valeur de l'intensité du courant total circulant dans la bobine. En régime permanent, on peut donc reprendre les mêmes séquences du processus de fonctionnement en considérant l'intensité IL1 du courant dans la bobine constante. Dans cette situation, on a une variation sinusoïdale de l'intensité du courant thyristor (321)-diode (322) pendant la durée t₀ à t₂ avec une composante continue superposée égale à I - IL1, et on a une croissance linéaire de la tension uc1 aux bornes du condensateur pendant la durée qui va de l'instant t₂ à l'instant t₃ du fait de la charge de ce condensateur par le courant d'intensité I - IL1.
  • On observera qu'en cas d'extinction de l'arc, le courant dans la bobine peut se dissiper dans la diode 322 de l'interrupteur du hacheur jusqu'à extinction.
  • On observera aussi que la fréquence f₀ de résonance qui est déterminée par la capacité C₁ du condensateur 31 et l'inductance L₂ des câbles de liaison 323 fixe une valeur que ne doit pas dépasser la fréquence f de commande du thyristor 321. En effet, si la commande de l'interrupteur a lieu à une fréquence f supérieure à la fréquence f₀ limite indiquée précédemment, ce thyristor resterait en permanence conducteur et pour pouvoir bloquer ce thyristor et revenir à un fonctionnement normal du hacheur il faudrait alors arrêter la source de courant. En pratique, cette fréquence f n'est pas la valeur limite réelle à ne pas dépasser. En effet, pour ne pas avoir de réenclenchement inopiné du thyristor, il faut respecter certaines conditions, entre autres la nécessité d'appliquer à ses bornes une tension négative pendant une durée suffisante, au moins égale à la durée tq de désamorçage de l'interrupteur, or cette durée est fonction de l'intensité du courant dévié, puisque ce courant vient se superposer à l'alternance sinusoïdale et aussi à l'amortissement du circuit. Il existe donc une fréquence limite qui physiquement est inférieure à la valeur de la fréquence limite théorique f₀.
  • L'exposé qui précède montre que l'installation électrique selon l'invention fonctionne selon deux régimes différents successifs, l'un se déroulant au cours du fonctionnement du hacheur et l'autre se déroulant comme si ce dernier n'existait pas.
  • Pour le premier régime pour lequel le hacheur est en fonctionnement, des développements mathématiques classiques des équations régissant les circuits montrent que les seuls paramètres importants significatifs sont la capacité C₁ du condenseur 31, la résistance R₁ et l'inductance L₁ de la bobine 14 de même que la résistance R₂ et l'inductance L₂ des câbles de liaison 323 et montrent aussi que seules importent les conditions initiales du régime. On peut ainsi déduire l'intensité iL2 du courant dans l'interrupteur et la tension uc1 aux bornes du condensateur. Ce régime est celui qui prévaut de l'instant t₀ à l'instant t₂ auquel l'interrupteur se bloque. Cet arrêt à l'instant t₂ se produit lorsque l'intensité iL2 dans les câbles de liaison s'annule avec une pente positive. On connaît alors à cet instant t₂ la tension uc1 (t₂) aux bornes du condensateur et l'intensité iL1 (t₂) du courant dans la bobine.
  • Pour le second régime, des développements mathématiques classiques montrent alors que le hacheur étant arrêté, on se trouve en présence d'un circuit oscillant LRC série dont les paramètres sont la capacité C₁ du condensateur 31 et la résistance R₁ et l'inductance L₁ de la bobine 14. Ce régime se termine à l'instant t₃ égal à l'inverse de la fréquence de commande du thyristor. A la remise en marche de l'installation, correspondant au premier régime indiqué auparavant les conditions initiales sont celles de l'intensité iL3 (t₃) du courant circulant dans la bobine 14 et la tension uC1 (t₃) aux bornes du condensateur 31.
  • Il suffit alors de procéder par itération jusqu'à la stabilisation du courant dans le bobine pour une fréquence de commande donnée.
  • On a utilisé ce qui précède avec une torche à plasma de 2 MW dont l'alimentation était assurée à l'aide de câbles de liaison dont l'inductance était de l'ordre de 20 µH et en utilisant un condensateur de capacité 400 µF. Pour une telle réalisation, la fréquence propre de fonctionnement du hacheur était de 1780 Hz. La résistance et l'inductance de la bobine étaient de l'ordre de 70 m Ω et 4 mH respectivement. Le hacheur fait de diode et de thyristor devant supporter des pointes de courant dont l'intensité peut atteindre 3000 A environ sous des tensions de l'ordre de 500 V, on a utilisé plusieurs interrupteurs selon l'invention montés en parallèle afin de tenir compte des aptitudes des composants du commerce. Pour la construction pratique, on a utilisé des thyristors-diodes portant la référence CSR 447 sur le catalogue de la société BROWN-BOVERI.
  • Lorsqu'on monte plusieurs interrupteurs du type thyristor-diode en parallèle, comme indiqué précédemment, il faut faire en sorte que l'un deux ne s'amorce pas plus vite qu'un autre sans quoi celui amorcé le premier serait traversé par la totalité du courant et serait donc détruit. Pour éviter cet inconvénient, on place en série avec chaque thyristor un circuit régulateur d'amorçage fait d'une petite inductance ou self chargée de ralentir et de repartir indépendamment des autres interrupteurs, la montée en courant dans celui-ci. De la sorte, on maîtrise les fronts de montée de l'intensité du courant à l'amorçage et on peut éviter les inconvénients résultant des dissymétries. Pour la réalisation pratique précédente, on a utilisé des selfs dont l'inductance était comprise entre 5 et 15 µH environ.
  • Pour éviter les effets parasites qui se produisent à l'amorçage des thyristors des interrupteurs, il faut contrôler le front de la montée en intensité du courant afin d'avoir une conduction répartie équitablement; il faut de même contrôler le blocage des diodes qui résultent de la montée de la tension aux bornes du condensateur. Pour cela, on utilise un circuit de protection ou d'aide à la commutation 33 placé en parallèle sur l'interrupteur du hacheur 32 comme cela ressort du schéma de la Figure 2. Ce circuit 33 est de préférence du type RC avec une résistance R₃ et un condensateur C₃ en série. On a utilisé par exemple des résistances R₃ dont la valeur est comprise entre 5 et 10 Ω environ et des condensateurs C₃ dont la capacité est comprise entre 0,2 µF et 1,7 µF.
  • Afin d'obtenir un bon enclenchement des thyristors 321, il est nécessaire de bien contrôler le courant de gâchette de ceux-ci. Il faut, dans un premier temps, que la gâchette soit soumise à une pointe d'intensité de courant à montée rapide puis, ensuite, que l'intensité de ce courant soit maintenue à une valeur inférieure. Les montages qui permettent d'obtenir une telle commande sont connus dans la technique, c'est pourquoi on ne s'appesantira pas sur ce point. Avec la réalisation pratique adoptée, l'intensité du courant de gâchette a atteint une valeur de 3,5 A avec une croissance au démarrage de 2,5 A/µs environ et a été ensuite stabilisée à 0,6 A environ jusqu'à la fin de la commande.
  • La valeur de l'intensité dans la bobine est comparée à une valeur de consigne à l'aide d'un circuit de régulation classique connu par exemple en boucle fermée avec contre réaction. Un type de solution est par exemple proposé dans le document précité.
  • De ce qui précède, on comprend tous les avantages qui résultent de l'invention puisque l'alimentation de la bobine qui permet de maîtriser le déplacement du pied de l'arc sur l'électrode ne nécessite plus l'utilisation d'un circuit autonome avec son alimentation propre.

Claims (12)

1 - Procédé pour régulariser l'usure afin d'en augmenter la longévité, d'une électrode d'une torche à plasma constituée, entre autres, de deux électrodes tubulaires coaxiales entre lesquelles s'établit un arc et qui sont séparées par une chambre où est injecté un gaz plasmagène, d'au moins une bobine de champ magnétique qui entoure localement une électrode de préférence l'électrode amont repérée par rapport au sens d'écoulement du plasma, d'une alimentation électrique pour fournir de l'énergie à l'arc et à la bobine, et de moyens pour maîtriser le déplacement du pied de l'arc sur l'électrode de manière à lui faire décrire une course longitudinale alternative au besoin vibratoire, caractérisé en ce qu'on utilise une alimentation électrique avec un circuit d'arc et un circuit de bobine, on monte en série ce circuit d'arc et ce circuit de bobine, on monte en dérivation sur cette bobine un condensateur et au moins un hacheur composé d'au moins un condensateur et d'au moins un interrupteur électronique de puissance, qui peut être placé éloigné de la bobine.
2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise dans des interrupteurs à thyristors et diodes avec un montage résonant.
3 - Torche à plasma (10), notamment pour la mise en oeuvre d'un procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 et 2, constituée, entre autres, de deux électrodes (11, 12) tubulaires coaxiales entre lesquelles s'établit un arc, d'une chambre (13) qui sépare ces électrodes (11, 12) et dans laquelle est injecté un gaz plasmagène, d'au moins une bobine (14) de champ magnétique qui entoure localement une électrode de préférence l'électrode amont (11) repérée par rapport au sens d'écoulement du plasma, d'une alimentation électrique (20) pour fournir de l'énergie à l'arc et à la bobine, et des moyens (30) pour maîtriser le déplacement du pied de l'arc sur l'électrode de manière à lui faire décrire une course longitudinale alternative, au besoin vibratoire, afin d'en régulariser l'usure et d'en augmenter la longévité, caractérisée en ce que l'alimentation électrique (20) comprend un circuit d'arc (21) et un circuit de bobine (22), en ce que ce circuit d'arc (21) et ce circuit de bobine (22) sont montés en série, en ce que ces moyens (30) comprennent montés en dérivation sur la bobine (14) au moins un hacheur composé d'au moins un condensateur (31) et d'au moins un interrupteur électronique de puissance (32) placé éloigné de la bobine.
4 - Torche selon la revendication 3, caractérisée en ce que le hacheur (32) comprend au moins un interrupteur fait d'un thyristor principal (321), d'une diode de récupération (322) et d'un circuit de désamorçage du thyristor principal (321).
5 - Torche selon la revendication 3, caractérisée en ce que le hacheur (32) comprend au moins un interrupteur fait d'un thyristor principal (321), d'une diode de récupération (322) et d'un circuit de désamorçage du thyristor principal (321) avec un montage résonant.
6 - Torche selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisée en ce qu'elle comprend un hacheur composé d'une batterie de condensateurs (31) et de plusieurs ensembles thyristors-diodes (32) montés en parallèle.
7 - Torche selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisée en ce qu'elle comprend un circuit (33) d'aide à la commutation monté en parallèle sur l'interrupteur fait du thyristor principal (321) et de la diode de récupération (322).
8 - Torche selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisée en ce que le montage résonant a une fréquence limite de fonctionnement déterminée par la capacité (C₁) du condensateur (31) et l'impédance (R₂, L₂) des câbles de liaison (323) connectant la bobine (14) à l'alimentation électrique (20), lorsque la hacheur fonctionne.
9 - Torche selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisée en ce que le circuit d'aide à la commutation (33) comprend une résistance (R₃) au besoin connectée en série à un condensateur (C₃).
10 - Torche selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisée en ce qu'elle comprend un circuit régulateur d'amorçage.
11 - Torche selon la revendication 10, caractérisée en ce que le circuit régulateur d'amorçage comprend une petite inductance montée en série avec chaque thyristor (321) d'un hacheur (32).
12 - Torche selon la revendication 3, caractérisée en ce que le hacheur (32) comprend au moins un thyristor GTO (Gate Turn Off) commandable à l'enclenchement et à l'ouverture.
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