EP1726022A1 - Generateur de haute tension - Google Patents

Generateur de haute tension

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Publication number
EP1726022A1
EP1726022A1 EP05739690A EP05739690A EP1726022A1 EP 1726022 A1 EP1726022 A1 EP 1726022A1 EP 05739690 A EP05739690 A EP 05739690A EP 05739690 A EP05739690 A EP 05739690A EP 1726022 A1 EP1726022 A1 EP 1726022A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electric generator
generator according
voltage
power supply
frequency
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05739690A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Sébastien VANAUD
Oleg Borissov
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Lohr Industrie SA
Original Assignee
Lohr Industrie SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Lohr Industrie SA filed Critical Lohr Industrie SA
Publication of EP1726022A1 publication Critical patent/EP1726022A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/4815—Resonant converters
    • 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
    • H05H2242/00—Auxiliary systems
    • H05H2242/20—Power circuits
    • H05H2242/22—DC, AC or pulsed generators
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • the present invention relates to a high frequency high voltage electrical generator with low internal resistance and high energy efficiency.
  • the industrial applications of high voltage high frequency electric generators are manifold in all fields. There exists for these electric generators a particular and interesting field of application constituted by all the possibilities of treatment by the plasma effect. In this field, numerous electric generators for plasma treatment have been imagined described and published in the scientific literature or by making the descriptions of the patents of the invention known to the public.
  • a high frequency high voltage electric generator which may be suitable for generating a plasma used in particular for surface treatment. These are generators whose high voltage and high frequency generates a plasma under atmospheric pressure, that is to say at ambient free pressure and allowing plasma treatment carried out on a surface.
  • one or more interior or exterior surface (s) of a body, an object or a product can be treated with plasma.
  • current electric generators use last stage a high frequency transformer with inductive coupling.
  • These are special transformers with a ferrite core, the cost of which is already high.
  • these transformers have a particularly handicapping frequency limit due to the early saturation of the ferrites. These become saturated at a so-called cut-off frequency beyond which, the energy transmission deteriorates significantly. This drawback condemns the use of this type of transformers beyond the cut-off frequency.
  • the latter is located only at the upper limit of a lower range of high-frequencies of the entire exploitable area of interest, for example for atmospheric plasma applications.
  • the object of the invention is to provide an electrical generator of reduced size, high energy efficiency and competitive cost, having the electrical performance necessary for the establishment of a plasma for treating a surface of a body, an object or a product.
  • the electric generator according to the invention with low internal resistance and high energy efficiency has an electrical supply and a resonant voltage multiplier circuit, the two being each controlled by a pilot and characterized by. a switching power supply from the electrical distribution sector controlled at a fixed switching frequency,.
  • the electric generator according to the invention has a very competitive cost price and a lower incidence of the assembly cost for this kind of product. . Due to its attractive energy efficiency, the electric generator according to 1 invention can remove heat by simple conventional means. for example static by dissipation radiators or others with or without the possible assistance of a fan. Its performance can therefore go beyond that of previous generators.
  • FIG. 1 is a general block diagram showing the general composition in main functions of the electric generator according to the invention
  • FIG. 2 is a block diagram of the DECALIM switching power supply showing the loop for regulating its output voltage
  • FIG. 3 is a block diagram of the resonant system SYRES voltage multiplier
  • the FIG. 4 is a block diagram of the PIOSYRES pilot for controlling the SYRES resonant system
  • FIG. 5 is a more detailed diagram of the resonant voltage multiplier system SYRES
  • FIG. 6 is a schematic perspective view of the capacitive coupling voltage converter CCTT.
  • the electric generator according to the invention is represented in its basic general functions in FIG. 1. The main functions can be distributed as follows: a DECALIM switching power supply and its regulation circuit, a SYSRES resonant system on the output stage and its pilot or control circuit, and a microcontroller for management, command and control MICROGER.
  • the DECALIM switching power supply delivers an adjustable and regulated DC voltage to a SYRES resonant system tuned to a resonant frequency
  • the generator consists first of all of the DECALIM switching power supply from the distribution voltage of the electrical network, for example the domestic alternating current network at 220 volts at 50Hz. This network is called REASEC in the drawing of Figure 1.
  • the switching power supply
  • DECALIM aims to deliver output from the AC alternating voltage of the sector or of the network a continuous electrical voltage DC of value adjustable according to the application for example between 100 and 600 volts DC, but stable and regulated to keep constant the high electrical voltage output of the electric generator and this with another regulation loop known as self-piloting acting from the output voltage on the excitation of the resonant circuit which will be explained below.
  • This DECALIM power supply is made up of the different blocks shown in FIG. 2.
  • REDFIL rectifier and filtering block with diode bridge for example with Graetz bridge
  • the filtering part of this REDF- ⁇ L block includes chemical capacities to ensure the production of direct voltage as well as the energy reserve and protection against possible high frequency returns from the switching block which follows it.
  • the cutting block is the intermediate stage of this switching power supply. Is it a CHOE chopper or chopper? formed of four transistors, for example IGBTs arranged in an H-shaped bridge and controlled by a switching signal with switching frequency Fd.
  • the output voltage is increased by a TRAFO power transformer then rectified and filtered by a REDEF high frequency rectifier to arrive at SE output at a DC voltage at regulated level, between 100 and 600 volts which will feed the SYRES resonant system.
  • a TRAFO power transformer then rectified and filtered by a REDEF high frequency rectifier to arrive at SE output at a DC voltage at regulated level, between 100 and 600 volts which will feed the SYRES resonant system.
  • Three additional functions are associated with the DECALIM decoi-ipage power supply, namely the stabilization and regulation of the output voltage and the power control by the pilot of the PIOLIM switching power supply as well as the safety control which is carried out in MICROGER by measuring and limiting the current at the level of the CHOP chopping bridge.
  • the PIOLIM pilot of the switching power supply is a rectangular pulse generator circuit with the switching frequency Fd for example equal to 100 Khz and of variable width coming from a pulse generator-modulator according to a width modulation known as PM from an external control allowing the dimming of the energy brought to the resonant SYRES circuit.
  • Galvanic isolation for example by transformer, is provided between the PIOLIM pilot and the CHOP chopper or chopper.
  • the energy provided by this supply can be modified by manual modification of the PWM modulation depth of these pulses, for example in width. In the context of an industrial application, this modification is carried out through the regulation loop provided between the output of this supply and the control.
  • the energy provided by this supply constitutes the incident energy of the system taken by it from the sector for the intended application, for example of plasma surface treatment.
  • Stabilization and regulation of the voltage at point SE is a feedback loop acting on the PIOLIM pilot through the MICROGER microcontroller to ensure a stabilized and constant voltage at point SE, i.e. a constant supply voltage from the SYRES resonant system.
  • This regulation can for example function according to the principle of comparison with a reference voltage.
  • the difference automatically generates an adjustment of the power by the PV7M pulse modulation in width in order to readjust the tension to the desired value.
  • the output voltage of the electric generator according to the invention is generated by the resonant system SYRES which is a stage in high frequency oscillator of High Voltage OHT intended to deliver under low impedance to one or more body or object (s) or product (s) ) to treat individually or simultaneously, a high sinusoidal voltage of large amplitude and high frequency ixed or stabilized previously chosen.
  • the working frequency is the resonance frequency Fr of this oscillator under load. This is known for each particular industrial application targeted since it has been determined beforehand experimentally or when the industrial processing line is put into service. In the industrial process, there may also be several successive treatments which may each require a specific frequency.
  • the general principle consists in determining the frequency linked to the desired treatment, to build and adjust the OHT resonant circuit with its load and its capacity of adjustment so that the resonant frequency of it corresponds to the frequency determined for the treatment. referred. It suffices then to excite the circuit resonating at this frequency which is also by construction its frequency of resonance under load so that the generator functions optimally and that the treatment is successful in all its characteristics.
  • the OHT circuit as shown in FIG. 5 is of the LC type, namely formed of a inductance and capacity.
  • the point SM is also the input of the CAT circuit for driving or excitation of OHT mounted between SM and M.
  • This CAT circuit consists essentially of IGBT or MOSFET transistors controlled on their respective gate j by a pulse signal at the frequency of resonance Fr of the OHT oscillator under load.
  • This excitation pulse signal is supplied at this frequency Fr and according to a variable energy by the pilot circuit PIOSY-RES of the resonant system SYRES obtained in the manner described below.
  • the resonance frequency Fr is a radiofrequency between 1 and 5 MHz. As indicated, it is fixed and self-stabilized for a given application or for a given effect. It is generated as follows in the example described below by the PIOSYRES circuit for controlling the resonant system (FIG. 4). This is entirely digital. Using a DDS Digital Frequency Synthesizer, a sinusoidal signal of precise frequency is used directly and which, after conversion using a Digital Analog Converter DAC becomes a DC voltage of high precision. As shown in FIG.
  • the passage of the two signals through a comparator makes it possible to obtain variabZLes rectangular pulses in cyclic relationship but at fixed frequency, that is to say a periodic signal at fixed frequency of rectangular pulses of adjustable width as a function of the DC voltage level.
  • This possibility of variation is used to autopilot the resonant system from its output voltage at the point ST in order to keep a constant voltage at this point independently of the various variations and fluctuations and in particular capacitive of the load.
  • This consistency in operation makes it possible to guarantee uniform treatment for each object or product and from one object or product to another.
  • An adjustment of the excitation frequency is also provided to restore the optimal conditions following various fluctuations, in particular capacitive and load.
  • the capacitive tubular voltage converter CCTT is a hollow tubular body CT made of electrically insulating material, for example of material known under the name TEFLON for frequencies below 1 MHz or ceramic for frequencies above 1 MHz shown more particularly in FIG. 6.
  • this tubular body of electrically insulating material is covered with a silver layer E interrupted by an interval or rectangular slot F a few millimeters in width, parallel to the generator of the tubular body CT constituting the primary with a single large turn width of this CCTT capacitive coupling voltage converter.
  • Its external lateral surface is furnished with a winding, for example in Litz yarn to constitute the secondary.
  • the number of turns S of this external winding constituting the secondary gives the voltage multiplier coefficient.
  • the series capacitor C1 can be placed inside the tubular body CT of the tubular voltage converter CCTT. This resonant system does not have a magnetic coupling like the generators of the prior art. The energy transfer takes place simply and only by capacitive effect.
  • the silver layer E constituting the primary plays the role of first electrode while the turns S of the external winding constitute as many electrodes forming with this first electrode as many second electrodes to constitute as many individual capacitors in series.
  • the capacitive tubular voltage converter CCTT ensures voltage multiplication in the desired ratio and a only capacitive transfer of high voltage and high frequency energy with the least possible loss.
  • the use of capacitive coupling makes it possible to significantly reduce the dimensions without encountering problems linked to electrical isolation.
  • This generator has a low internal resistance thanks to the low internal resistance of its switching power supply. Its output current can thus rise to fairly high values, for example a few hundred amperes useful in applications by plasma surface treatment. atmospheric.
  • the operation of the electric generator according to the invention is controlled by a general control by MICROGER microcontroller ensuring on the one hand the operation control and on the other hand the safety controls such as for example the measurement of the current and its limitation in the power supply and the measurement of the voltage delivered by the switching power supply for its regulation.
  • the electric generator according to the invention is also distinguished by the following two characteristics of autopilot and regulation. The first concerns the so-called self-control loop between the output of the oscillator and the general control by the MICROGER microprocessor. According to this loop, the output voltage is measured to maintain the resonance and readjust the high output voltage. Another loop between the switching power supply and the microcontroller ensures stabilization and regulation of the voltage delivered by this power supply to the resonant system.
  • the electric generator according to the invention can find numerous industry-related applications.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

Le générateur électrique est formé d’une alimentation à découpage DECALIM en pont à partir de la tension du secteur de distribution électrique REASEC alimentant le système résonant SYRES dont le circuit oscillant OHT est à convertisseur capacitif de tension CCTT présentant un couplage capacitif à haute tension en hautes fréquences, le circuit du hacheur CHOP de l’alimentation à découpage DECALIM et celui de l’excitation du circuit oscillant OHT sont chacun commandés par un pilote spécifique PIOLIM et PIOSYRES respectivement de la tension d’alimentation de OHT et d’autopilotage de celui-ci. Cette invention intéresse tous les constructeurs de générateurs électriques de haute tension à haute fréquence et plus particulièrement les générateurs de plasma atmosphérique.

Description

GÉNÉRATEUR DE HAUTE TENSION
La présente invention se rapporte à un générateur électrique à haute tension en haute fréquence à faible résistance interne et à haut rendement énergétique . Les applications industrielles des générateurs électriques à haute tension en haute fréquence sont multiples dans tous les domaines . Il existe pour ces générateurs électriques un domaine d'application particulier et intéressant constitué par toutes les possibilités de traitement par l'effet plasma. Dans ce domaine, de nombreux générateurs électriques pour le traitement par plasma ont été imaginés décrits et publiés dans la littérature scientifique ou par la mise à la connaissance du public des descriptifs des brevets d'invention. Pour la présente invention, on s'intéresse plus particulièrement à un générateur électrique à haute tension en haute fréquence qui peut convenir pour générer un plasma utilisé notamment pour le traitement de surface. Il s'agit de générateurs dont la haute tension et la haute fréquence engendre un plasma sous pression atmosphérique c ' est-à-dire à pression libre ambiante et permettant le traitement par plasma réalisé sur une surface. On peut à l'aide de ces générateurs traiter par plasma une ou plusieurs surface(s) intérieure ( s ) ou extérieure (s ) d'un corps, d'un objet ou d'un produit. Pour obtenir simultanément ces valeurs élevées de tension électrique et de fréquence les générateurs électriques actuels utilisent en dernier étage un transformateur haute fréquence à couplage inductif. Il s'agit de transformateurs spéciaux à noyau de ferrite dont le coût s'avère déjà élevé. Or, ces transformateurs présentent une limite en fréquences particulièrement handicapante en raison de la saturation précoce des ferrites. Celles-ci se saturent à une fréquence dite de coupure au-delà de laquelle, la transmission d'énergie se dégrade sensiblement . Cet inconvénient condamne l'utilisation de ce type de transformateurs au-delà de la fréquence de coupure. Or cette dernière ne se situe qu'à la limite supérieure d'une gamme inférieure de hautes -fréquences de l'ensemble du domaine exploitable intéressant par exemple pour les applications de plasma atmosphérique.
Par ailleurs, ce type de transformateurs de haute tension et à haute fréquence présente un rendement décroissant avec la montée en fréquences. Il existe maintenant d'autres transformateurs haute fréquence présentant un noyau ferromagnétique en terres rares permettant de réduire les inconvénients ci-dessus. Ces transfformateurs s ' avèrent cependant sensiblement onéreux en raison précisément de l'emploi de terres rares représentant une forte incidence sur le prix de revient. De plus, en montant en tension, on rencontre aussi et même avec ces transformateurs, des problèmes d' isolement électrique entre le primaire et le secondaire. De plus, si l'on veut éviter les problèmes d' isolement électrique, les dimensions et le poids ainsi que corrélativement le prix, augmentent de façon importante . En raison des hautes tensions nécessaires, les composants actifs et de commutation sont souvent encore des tubes à vide qui présentent les meilleures garanties de fiabilité pour ces niveaux de tension. Par ailleurs, les rendements énergétiques médiocres rencontrés et les hautes puissances de fonctionnement nécessitent des moyens d'évacuation de la chaleur par un liquide caloporteur. Le but de 1 ' invention est de procurer un générateur électrique d'encombrement réduit, de haut rendement énergétique et de coût de revient compétitif, présentant les performances électriques nécessaires pou-r l'établissement d'un plasma permettant de traiter une surface d'un corps, d'un objet ou d'un produit. A cet effet, le générateur électrique selon 1 ' invention à faible résistance interne et à haut rendement énergétique présente une alimentation électrique et un circuit résonant multiplicateur de tension, les deux étant commandés chacun par un pilote et se caractérisé par . une alimentation à découpage à partir du secteur de distribution électrique commandée à une fréquence fixe de découpage, . un système résonant multiplicateur de tension à couplage capacitif alimenté par l'alimentation à découpage commandée par un pilote, système dont la sortie est reliée à une ou plusieurs électrode(s) à proximité ou en contact avec un corps , un objet ou un produit, . un iexocontrôleur de gestion, de contrôle et de commande. En raison de son convertisseur- multiplicateur de tension à couplage capacitif, et de sa constitution simple, le générateur électrique selon l'invention présente un coût de revient tout à fait compétitif et une incidence du coût de montage des plus faibles pour ce genre de produit. En raison de son rendement énergétiqme intéressant, le générateur électrique selon 1 ' invention peut évacuer la chaleur par de simples moyens classiques,. par exemple statiques par radiateurs de dissipation ou autres avec ou non l'assistance éventuelle d'un ventilateur. Ses performances peuvent donc aller au-delà de celles des générateurs antérieurs. Ce générateur électrique est prévu pour fonctionner à une fréquence optimale typique de l'application envisagée. Il suffit d'accorder son système résonant pour l'adapter à l'application envisagée. L'avantage de sa construction économique associé à son haut rendement énergétique le rend tout à fait intéressant pour l'industrie. De plus, il présente une grande aptitude à être réduit en taille, si bien que son encombrement peut devenir minimal, favorisant ainsi son implantation voire son intégration, dans des machines industrielles automatiques même de petite taille. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit, donnée à titre d'e-xemple et accompagnée des dessins dans lesquels : la figure 1 est un schéma général synoptique par blocs montrant la composition générale en fonctions principales du générateur électrique selon 1 ' invention, la figure 2 est un schéma par blocs de 1 ' alimentation a découpage DECALIM montrant la boucle de régulation de sa tension de sortie, la figure 3 est un schéma par blocs du système résonant SYRES multiplicateur de tension, la figure 4 est un schéma par blocs du pilote PIOSYRES de commande du système résonant SYRES, . la figure 5 est -un schéma plus détaillé du système résonant multiplicateur de tension SYRES, la figure 6 est une vue schématique en perspective du convertisseur-multiplicateur CCTT de tension à couplage capacitif. Le générateur électrique selon l'invention est représenté dans ses fonctions générales de base sur la figure 1. On peut répartir les fonctions principales de la façon suivante : une alimentation à découpage DECALIM et son circuit de régulation, un système résonant SYSRES en étage de sortie et son circuit pilote ou de commande, et un microcontrôleur de gestion, de commande et de contrôle MICROGER. L ' alimentation à découpage DECALIM délivre une tension continue ajustable et régulée à un système résonant SYRES accordé sur une fréquence de résonance
Fr de préférence comprise entre 1 et 5 Mhz correspondant à l'application visée. Ce système résonant sera amené à la résonance par un signal d'excitation généré et stak>ilisé à la fréquence de résonance Fr pour débiter sous haute tension en sortie à cette fréquence et sous faible résistance interne sur ou dans un ou plusieurs corps ou produit(s) ou un objet (s) dont la ou les sταrface(s) est ou sont à traiter par plasma atmosphérique de préférence en surface. On examinera ci-après les unes après les autres les différentes fonctions générales du générateur électrique selon l'invention. Le générateur se compose d'abord de l'alimentation à découpage DECALIM à partir de la tension de distribution du réseau électrique, par exemple du réseau domestique de courant alternatif sous 220 volts à 50Hz. Ce rréseau est dénommé REASEC sur le dessin de la figure 1. L'alimentation électrique à découpage
DECALIM a pour but de délivrer en sortie à partir de la tension alternative AC du secteur ou du réseau une tension électrique continue DC de valeur ajustable en fonction de l'application par exemple entre 100 et 600 volts continus, mais stable et régulée pour garder constante la haute tension électrique de sortie du générateur électrique et ceci avec une autre boucle de régulation dite d' autopilotage agissant à partir de la tension de sortie sur l'excitation du circuit résonant qui sera expliquée ci-après. Cette alimentation DECALIM se compose des différents blocs représentés sur la figure 2. Il s'agit d'abord à partir du secteur REASEC, d'un bloc redresseur et de filtrage REDFIL à pont de diodes (par exemple à pont de Graetz) permettant d'obtenir en sortie une tension continue d'environ 300 volts. La partie filtrage de ce bloc REDF-ΣL comprend des capacités chimiques pour assurer la production de la tension continue ainsi que la réserve d'énergie et la protection contre les éventuels retours de haute fréquence du bloc de découpage qui le suit. Le bloc de découpage est 1 ' étage intermédiaire de cette alimentation à découpage. Il s'agit d'un hacheur ou découpeur CHOE? formé de quatre transistors par exemple IGBT disposés selon un pont en H et commandés par un signal de découpage à fréquence de découpage Fd. La tension de sortie est augmentée par un transformateur de puissance TRAFO puis redressée et filtrée par un redresseur haute fréquence REDEF pour arriver en sortie SE à une tension continue à niveau régulé, comprise entre 100 et 600 volts qui alimentera le système résonant SYRES . Trois fonctions supplémentaires sont associées à l'alimentation à décoi-ipage DECALIM à savoir la stabilisation et la régulation de la tension de sortie et la commande de puissance par le pilote de l'alimentation à découpage PIOLIM ainsi que le contrôle de sécurité qui s ' effectue dans MICROGER par la mesure et la limitation du courant au niveau du pont découpeur CHOP. Le pilote PIOLIM de 1 ' alimentation à découpage est un circuit générateur d'impulsions rectangulaires à la fréquence de découpage Fd par exemple égale à 100 Khz et de largeur variable provenant d'un générateur-modulateur d'impulsions selon une modulation en largeur connue sous P M à partir d'une commande extérieure permettant la gradation de l'énergie apportée au circuit résonant SYRES. Une isolation galvanique, par exemple par transformateur est prévue entre le pilote PIOLIM et le hacheur ou découpeur CHOP. Comme indiqué, pour des besoins de réglage et d'expérimentation, l'énergie apportée par cette alimentation est modifiable par modification manuelle de la profondeur de modulation PWM de ces impulsions par exemple en largeur. Dans le cadre d'une application industrielle, cette modification s'effectue au travers de la boucle de régulation prévue entre la sortie de cette alimentation et la commande. L'énergie apportée par cette alimentation constitue l'énergie incidente du système prélevée par celui-ci sur le secteur pour l'application visée par exemple de traitement de surface au plasma. La stabilisation et la régulation de la tension au point SE est une boucle de retour agissant sur le pilote PIOLIM à travers le microcontrôleur MICROGER pour assurer une tension stabilisée et constante au point SE c'est-à-dire une tension constante d'alimentation du système résonant SYRES. Cette régulation peut par exemple fonctionner selon le principe de la comparaison à une tension de consigne. La différence engendre automatiquement un ajustement de la puissance par la modulation PV7M d'impulsion en largeur en vue de réajuster la tension à la valeur souhaitée. La tension de sortie du générateur électrique selon l'invention est générée par le système résonant SYRES qui est un étage en Oscillateur haute fréquence de Haute Tension OHT destiné à délivrer sous faible impédance à un ou plusieurs corps ou objet(s) ou produit(s) à traiter individuellement ou simultanément, une haute tension sinusoïdale de grande amplitude et de haute fréquence ixes ou stabilisées préalablement choisies. La fréquence de travail est la fréquence de résonance Fr de cet oscillateur sous charge. Celle-ci est connue pour chaque application industrielle particulière visée car déterminée préaU-ablement expérimentalement ou lors de la mise en service de la ligne industrielle de traitement. Il peut s'agir aussi dans le processus industriel de plusieurs traitements successifs pouvant nécessiter chacun une fréquence spécifique. Le principe général consiste à déterminer la fréquence liée au traitement souhaité, de construire et d'ajuster le circuit résonant OHT avec sa charge et sa capacité d'ajustement pour que la fréquence de résonance de celui-ci corresponde à la fréquence déterminée pour le traitement visé. Il sufffit alors d'exciter le circuit résonant à cette fréqixence qui est aussi par construction sa fréquence de -résonance sous charge pour que le générateur fonctionne de façon optimale et que le traitement soit réussi dans toutes ses caractéristiques. On examinera ci-après le système résonant SYRES et l'oscillateur OHT qui le compose ainsi que sa commande avec boucle d' autopilotage. Le circuit OHT comme représenté sur la figure 5 est du type LC, à savoir formé d'une inductance et d'une capacité. Il se compose à partir du point d'alimentation SE, d'une inductance L et en série d'une capacité fixe Cl et du convertisseur capacitif tubulaire de tension CCTT dont le secondaire abouti au point de haute tension de sortie ST auquel la charge à traiter est reliée électriquement . Un condensateur d'appoint C2 est monté en parallèle entre le point SM en aval de l'inductance L et la masse M. Ce condensateur C2 est utilisé pour ajuster la -valeur totale de la capacité du circuit résonant. Le point SM est également l'entrée du circuit CAT d'attaçjue ou d'excitation de OHT monté entre SM et M. Ce circuit CAT est constitué essentiellement de transistors IGBT ou MOSFET commandés sur leur grille respective jpar un signal impulsionnel à la fréquence de résonance Fr de l'oscillateur OHT sous charge. Ce signal impulsionnel d'excitation est fourni à cette fréquence Fr et selon une énergie variable par le circuit pilote PIOSY-RES du système résonant SYRES obtenu de la façon décrite ci- après. A titre d'exemple, la fréquence de résonance Fr est une radiofréquence comprise entre 1 et 5 Mhz . Comme indiqué, elle est fixe et autostabilisée pour une application donnée ou pour un effet donné. Elle est générée de la façon suivante dans l'exemple décrit ci-après par le circuit PIOSYRES de pilotage du système résonant (figure 4). Celui-ci est entièrement numérique. A l'aide d'un Synthétiseur Numérique de Fréquences DDS, on génère un signal sinusoïdal de fréquence précise utilisé directement et qui, après conversion à l'aide d'un Convertisseur Numérique Analogique CNA devient une tension continue de grande précision. Comme représenté sur la fig-ure 4, le passage des deux signaux dans un comparateur permet d'obtenir des impulsions rectangulaires variabZLes en rapport cyclique mais à fréquence fixe, c'est— à-dire un signal périodique à fréquence fixe d'impulsions rectangulaires à largeur modulable en fonction du niveau de tension continue CNA. Cette possibilité de variation est utilisée pour autopiloter le système résonant à partir de sa tension de sortie au point ST en vue de garder une tension constante à ce point indépendamment des variations et fluctuations diverses et notamment capacitives de la charge. Cette constance dans le fonctionnement permet de garantir un traitement uniforme pour chaque objet ou produit et d'un objet ou produit à l'autre. Un ajustement de la fréquence d'excitation est également prévu pour rétablir les conditions optimales suite aux fluctuations diverses notamment capacitives et de la charge. Il s'agit de la boucle d' autopilotage du système résonant selon laquelle une variation de la tension de sortie agit sur la fréquence d'excitation et la quantité d'énergie d'excitation arrivant à 1-a grille des transistors de commande de l'excitation. S 'agissant d'un composant important pour le générateur électrique selon l'invention, on décrira maintenant le convertisseur capacitif tubulaire de tension CCTT. II s'agit d'un corps tubulaire creux CT en matière électriquement isolante, par exemple en matière connue sous la dénomination TEFLON pour des fréquences inférieures à 1 Mhz ou en céramique pour des fréquences supérieures à 1 Mhz représenté plus particulièrement sur la figure 6. La surface latérale interne de ce corps tubulaire en matière électriquement isolante est recouverte d'une couctie d'argent E interrompue par un intervalle ou fente rectangulaire F de quelques millimètres de largeur, parallèle à la génératrice du corps tubulaire CT constituant le primaire à une seule spire de grande largeur de ce convertisseur de tension à couplage capacitif CCTT. Sa surface latérale extérieure est garnie d'un bobinage par exemple en fils de Litz pour constituer le secondaire. Le nombre de spires S de cet enroulement extérieur constituant le secondaire donne le coefficient multiplicateur de tension. Pour des raisons d'encombrement, le condensateur série Cl peut être placé à l'intérieur du corps tubulaire CT du convertisseur tubulaire de tension CCTT. Ce système résonant ne possède pas de couplage magnétique comme les générateurs de 1 ' état de la technique. Le transfert d'énergie s'effectue simplement et uniquement par effet capacitif. La couche d'argent E constituant le primaire joue le rôle de première électrode alors que les spires S du bobinage extérieur constituent autant d'électrodes formant avec cette première électrode autant de deuxièmes électrodes pour constituer autant de capacités individuelles en série. Le convertisseur capacitif tubulaire de tension CCTT assure la multiplication de tension dans le rapport souhaité et un transfert uniquement capacitif de l'énergie de haute tension et de haute fréquence avec le moins possible de pertes. De plus, l'utilisation du couplage capacitif permet de diminuer notablement les dimensions sans pour autant rencontrer de problèmes liés à l'isolement électrique. Ce générateur présente une faible résistance interne grâce à la faible résistance interne de son alimentation à découpage. Son courant de sortie peut ainsi monter à des valeurs assez fortes par exemple quelques centaines d'ampères utiles dans les applications par traitement de surface au plasma atmosphérique . Le fonctionnement du générateur électrrique selon l'invention est contrôlé par une commande générale par microcontrôleur MICROGER assurant d'une part la commande de fonctionnement et d'autre part les contrôles de sécurité comme par exemple la mesure du courant et sa limitation dans l'alimentation à découpage et la mesure de la tension délivrée par l'alimentation à découpage en vue de sa régulation . Comme on l'aura compris, le générateur électrique selon l'invention se particularise aussi par les deux caractéristiques d' autopilotage et de régulation suivantes. La première concerne la boucle dite d'auto- pilotage entre la sortie de l'oscillateur et la commande générale par le microprocesseur MICROGER. Selon cette boucle, on mesure la tension de sortie pour réaliser le maintien de la résonance et le réajustement de la haute tension de sortie. Une autre boucle entre l'alimentation à découpage et le microcontrôleur permet d'assure-r la stabilisation et la régulation de la tension délivrée par cette alimentation au système résonant. Le générateur électrique selon 1 ' invention peut trouver de nombreuses applications industrie-Lies.
Les applications en générateur de plasma à l'aide d'un courant gazeux sont particulièrement visées. Il est prévu notamment pour être utilisé pour générer un plasma atmosphérique en vue d'un traitement par plasma d'un objet, d'un corps ou d'un produit et plus particulièrement en vue d'un traitement de surface par plasma d'un objet, d'un corps ou d'un produit.

Claims

REVENDICATIONS
1. Générateur électrique à faible résistance interne et à haut rendement énergétique présentant une alimentation électrique et un circuit résonant multiplicateur de tension, les deux étant commandés chacun par un pilote caractérisé par . une alimentation à découpage à partir du secteur de distribution électrique commandée par une fréquence fixe de découpage, . un système résonant multiplicateur de tension à couplage capacitif alimenté par l'alimentation à découpage commandée par un pilote, système dont la sortie est reliée à une ou plusieurs électrode(s) à proximité ou en contact avec un coirps, un objet ou un produit, . un microcontrôleur de gestion, de contrrôle et de commande.
2. Générateur électrique selon la revendication 1 caractérisé en ce que le système résonant est formé d'une impédance inductive L et d'une capacité résultante comprenant un condensateur fixe Cl en série avec un convertisseur de tension à couplage capacitif CCTT.
3. Générateur électrique selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'un condensateur d'ajustage Ca est prévu en parallèle sur les condensateurs Cl et CCTT montés en série.
4. Générateur électrique selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le convertisseur de tension à couplage capacitif CCTT est un corps tubulaire creux CT isolant électrique à surface latérale interne revêtue d'une couche d'argent E à interruption par un intervalle isolant F et à surface latérale externe recouverte d'un enroulement formé d'un certain nombre de spires S déterminant le facteur multiplicateur de tension.
5. Générateur électrique selon la revendication précédente caractérisé en ce que 1 ' isolant électrique formant le corps creux tubulaire CT du convertisseur capacitif tubulaire de tension CCTT est du téflon ou de la céramique.
6. Générateur électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes 1, 2 ou 3 caractérisé en ce que le condensateur fixe Cl du système résonant SYRES est placé à l'intérieur du corps tubulaire du multiplicateur de tension CCTT.
7. Générateur électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le système résonant SYRES est un oscillateur sinusoïdal.
8. Générateur électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le système résonant SYRES est un oscillateur OHT accordé à la fréquence Fr de l'application du traitement.
9. Générateur électrique selon la revendication précédente caractérisé en ce que l'oscillateur est accordé sur une fréquence de résonance Fr qui est une radiofréquence.
10. Générateur électrique selon la revendication précédente caractérisé en ce cgue la fréquence de résonance Fr est comprise entre 1 et 5 Mhz.
11. Générateur électrique selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'alimentation à découpage DECALIM est formée d'un bloc de redressement filtrage REDFIL suivi d'un bloc de découpage CHOP selon un pont en H composé de quatre transistors IGBT.
12. Générateur électrique selon la revendication précédente caractérisé en ce cgue le pilote de l'alimentation à découpage DECALIM est un générateur d'impulsions fixes ou modulables a la fréquence Fd de découpage .
13. Générateur électrique selon la revendication 11 ou 12 caractérisé en ce qu' il existe une boucle de régulation de la tension de sortie de l'alimentation à découpage DECALIM.
14. Générateur électrique selon la revendication 11 ou 12 caractérisé en ce qu' il existe une mesure et une limitation de l'intensité de l'alimentation à découpage DECALIM.
15. Générateur électrique selon la revendication précédente caractérisé en ce que la fréquence de découpage Fd est de 100 kHz.
16. Générateur électrique selon la revendication 12 caractérisé en ce que le pilote du système résonant est numérique.
17. Générateur électrique selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il e iste une boucle d' autopilotage entre le système résonant et le microcontrôleur de gestion et de commande.
18. Générateur électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le générateur est utilisé pour générer un plasma atmosphérique en vue d'un traitement par plasma d'un objet, d'un corps ou d'un produit.
19. Générateur électrique selon la revendication précédente caractérisé en ce que le générateur est utilisé pour générer un plasma atmosphérique en vue d'un traitement de surface par plasma d'un objet, d'un corps ou d'un produit .
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