FR2628268A1 - Appareil de multiplication de tension a couplage de flux magnetique - Google Patents
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Abstract
Des circuits secondaires multiples 20, 40, 60 comprenant chacun un enroulement individuel 24, 44, 64 enroulé autour d'un noyau magnétique 22, 42, 62, séparé, sont positionnés à l'intérieur du champ magnétique d'un enroulement primaire unique. La sortie de chaque circuit secondaire est redressée. La sortie de tous les circuits secondaires est combinée en série pour produire la haute tension continue. Les noyaux secondaires sont alimentés en parallèle à partir du flux magnétique de l'enroulement primaire. Le noyau primaire et l'enroulement primaire constituent une enveloppe sensiblement cylindrique, les noyaux et enroulements secondaires étant situés à l'intérieur du cylindre.
Description
Appareil de multiplication de tension & couplage de flux magnétique La
présente invention se rapporte & des alimentations & haute tension et elle concerne, plus particulièrement, des alimentations & haute tension utilisant une technique de-multiplication de tension pour produire un potentiel d'amplitude suffisante pour
être utilisé dans un accélérateur d'électrons.
Il faut des alimentations & très haute tension de l'ordre d'un & deux mégavolts (MV) pour un certain nombre d'applications parmi lesquelles des accélérateurs de faisceaux d'électrons & haute puissance. Les accélérations de faisceaux d'électrons de l'ordre de 50 & 500 kilowatts nécessitent souvent des énergies d'accélération pouvant atteindre 5 megavolts. Il faut souvent un grand nombre d'alimentations pour obtenir la puissance nécessaire pour produire l'énergie de faisceau électronique désirée. L'utilisation d'un grand nombre d'alimentations pour obtenir une telle puissance est souvent impossible à gérer et non rentable
économiquement.
Par conséquent, les accélérateurs disponibles actuellement ne satisfont pas aux conditions de haute puissance du faisceau, de haute énergie du faisceau et de coût économiquement avantageux. Des alimentations commerciales utilisées pour obtenir l'énergie & haute
tension utilisent des isolants diélectriques solides.
Certaines de ces alimentations peuvent réaliser la haute tension nécessaire avec un petit nombre d'étages, mais ne sont pas encore capables de produire la
puissance nécessaire & un coot avantageux.
Les brevets US-3.708.740 et 3.393.114, au nom de Pierson, décrivent des transformateurs conçus pour
engendrer de forts potentiels continus. Le brevet US-
2. 251. 373, au nom de Olsson, décrit un transformateur & haute tension ayant une structure analogue & celle des transformateurs de Pierson. Plusieurs enroulements montés en série sont positionnés près d'un seul enroulement à basse tension, réalisant ainsi un couplage par flux magnétique des enroulements, ce qui augmente la capacité de charge des transformateurs. Le brevet US-4.329.674, au nom de Hamano, décrit la combinaison de trois transformateurs pour former un seul transformateur à haute tension, conçu pour produire une tension de sortie continue élevée. Le brevet US-1.907.633, au nom de Westermann, décrit également un moyen de montage en cascade d'une série de transformateurs. Une source de haute tension couramment utilisée consiste en l'alimentation du type CockcroftWalton, L'alimentation Cockcroft-Walton utilise des multiplicateurs de tension à couplage 'électrostatique alimentés en série qui nécessitent une forte capacité de couplage entre étages. En variante, une alimentation & transformateur à noyau isolé (ICT) peut être utilisée pour satisfaire aux conditions de haute puissance nécessaires. Cependant, les ICT nécessitent des noyaux magnétiques extrêmement grands pour réduire les effets
du flux de fuite entre étages.
La présente invention consiste en une source & haute tension et haute puissance, de structure analogue à un transformateur à un seul primaire et à secondaires multiples, séparés du primaire.par une région remplie de gaz inerte. Principalement, l'invention fournit un appareil pour mettre en oeuvre une conception originale de convertisseur de tension, soit excitation parallèle pour un noyau primaire commun & courant. continu ou alternatif et noyaux secondaires multiples montés en parallèle. Le dispositif comporte un noyau primaire et
un noyau secondaire séparé pour chacun des secondaires.
Le circuit primaire fournit la force magnétomotrice nécessaire pour engendrer le flux magnétique nécessaire pour alimenter les secondaires à travers l'entrefer de
gaz compris entre les noyaux.
Dans des applications & courant continu, la tension provenant de chacun des secondaires est redressée indépendamment, et les tensions continues engendrées par les secondaires sont en série. La tension totale engendrée par l'alimentation est donc déterminée en tant que somme des tensions de chacun des
circuits secondaires indépendants.
Le primaire est, de préférence, agencé selon une configuration cylindrique, les secondaires étant placés & l'intérieur du cylindre et orientés transversalement à son axe central. Le secondaire est, de façon appropriée, séparé du primaire par un entrefer, et l'intervalle de séparation est rempli de gaz inerte pour empêcher tout arc de haute tension continue éventuel. Chacun des circuits secondaires multiples
utilise un matériau de noyau magnétique de forme semi-
cylindrique pour optimiser le couplage inductif à
partir du primaire.
Pour mieux comprendre la nature et les objectifs de la présente invention, on se référera à la
description détaillée qui va suivre, en liaison avec le
dessin annexé sur lequel des éléments semblables sont désignés par desréférences numériques semblables, et dont: la figure 1 est un schéma illustrant une mise en oeuvre de la présente invention utilisant des secondaires à prises centrales; la figure 2 est un schéma illustrant une mise en oeuvre de la présente invention qui utilise un circuit doubleur de tension pour chaque étage secondaire; la figure 3 est une vue latérale en coupe transversale d'une alimentation réalisée selon la présente invention; la figure 4 est une vue en coupe transversale du transformateur de la figure 3, suivant la ligne 4-4; la figure 5 est une vue en bout en coupe transversale d'un générateur de tension triphasé réalisé selon la présente invention; la figure 6 est une représentation schématique
du générateur de tension représenté sur la figure 5.
La présente invention telle que représentée sur les figures 1 à 4, comprend un noyau -magnétique primaire avec deux pôles, divisé en deux moitiés comprenant chacune l'un des deux pôles 10 et 12. Les deux pôles 10 et 12 du noyau primaire sont couplés inductivement par l'intermédiaire de l'enceinte 14 ou d'une culasse magnétique supplémentaire feuilletée positionnée au voisinage mais & l'intérieur de la paroi de l'enceinte qui fournit un traJet de flux magnétique continu. Une première moitié 16 et une seconde moitié 18 d'un primaire sont enroulées autour de chacun des pôles 10 et 12, respectivement, et elles sont reliées en série par l'intermédiaire d'un conducteur 17. Un noyau secondaire séparé ' est prévu pour chaque
secondaire.
Sur les figures 1 et 2, trois secondaires et noyaux sont représentés à titre d'exemple. Sur la figure 3, dix noyaux et enroulements secondaires sont représentés & titre d'exemple. Le générateur de tension selon la présente invention peut comporter n'importe quel nombre de noyaux et enroulements secondaires nécessaire pour l'application particulière du dispositif. La tension totale engendrée sera fonction du nombre de noyaux et d'enroulements indépendants,
ainsi que du nombre de spires de chaque enroulement.
Si tous les secondaires sont de tension équivalente, la tension totale du dispositif ayant un nombre n de secondaires sera n fois la tension par enroulement. Si la tension de chaque secondaire est différente, la tension totale sera obtenue par
sommation des tensions de chaque circuit de secondaire.
Si l'on utilise un circuit de multiplication de tension tel que celui représenté sur la figure 2, la tension totale augmentera lorsque la tension de chaque circuit augmentera. Dans l'exemple spécifique de la figure 2, un circuit redresseur doubleur de tension est utilisé pour augmenter la tension provenant de chaque
enroulement d'un facteur deux.
Les circuits secondaires tels que le circuit 20 par exemple comprennent un élément de noyau secondaire 22, un enroulement 24 enroulé autour de l'élément de noyau secondaire 22, et des composants appropriés pour convertir la tension alternative de l'enroulement en tension continue. Les éléments de conversion peuvent comprendre des redresseurs tels que 26 et 28 représentés sur la figure 1, ou 30 et 32 représentés sur la figure 2, combinés avec un condensateur 29 ou des condensateurs 36 et 38, selon les nécessités. Les sorties de chaque circuit secondaire sont en série, une extrémité 21 de la série étant à la masse et l'extrémité opposée utilisée comme potentiel de sortie continue haute tension 67. On peut mettre à la masse le potentiel positif ou négatif, sèlon l'utilisation de l'alimentation dans un système positif ou négatif, le potentiel opposé devenant alors la partie de potentiel
à haute tension.
Une valeur courante pour la tension d'entrée V,.
est de 480 volts, mais la tension fournie par la présente invention est variable pour tenir compte de la production de valeurs de sortie continue variables. La valeur V. fournie par la présente invention peut être modifiée par n'importe quels moyens acceptables tels qu'un transformateur variable entre le secteur et
l'entrée de l'agencement de la présente invention.
Chaque circuit ou étage secondaire de la présente invention peut fournir typiquement 10 & 100 kilovolts (kV). Ces valeurs sont comprises dans l'intervalle de tensions viable tenant compte de l'isolation secondaire et ne donnant pas une énergie emmagasinée excessive par étage. Par conséquent, pour fournir une valeur typique de 2 mégavolts (MV) & un accélérateur, il faut entre 20 et 200 étages. La présente invention accepte autant ou aussi peu d'étages que nécessaire ou désiré pour
fournir une tension adéquate pour l'application visée.
La capacité telle qu'illustrée par exemple par le condensateur 29 de la figure 1 n'est pas strictement nécessaire pour la production du potentiel haute tension, mais -elle peut être nécessaire pour le filtrage. La valeur de la capacité nécessaire est déterminée par le formule suivante: C = 100 It + nV par phase par circuit, o: I = intensité moyenne continue, n = pourcentage d'ondulation crête & crête, v = tension de circuit continue, t = durée d'un intervalle de redressement au suivant, et
c = capacité en microfarads.
Pour décrire l'appareil représenté sur la figure 1 avec davantage de détails, il comporte trois circuits secondaires 20, 40 et 60, représentés. De nouveau, on peut prévoir n'importe quel nombre de. circuits secondaires, chaque circuit supplémentaire étant facile à monter en série avec les circuits existants. Une tension VF, est fournie entre les bornes d'entrée 70 et 72 du primaire. La tension VF, provient d'une source de courant alternatif d'amplitude suffisante pour produire la force magnétomotrice nécessaire pour alimenter les circuits secondaires du générateur de tension. La tension VF est fournie au primaire comprenant les deux moitiés d'enroulement 16 et 18 comprenant chacune un nombre de spires N,.2. Le nombre total de spires pour le primaire étant de N., soit la somme des nombres de
spires de chacune des parties d'enroulement 16 et 18.
Le courant alternatif circulant dans le primaire engendre un flux magnétique 0F, comme indiqué par la flèche de la figure 1. Une partie de ce flux magnétique total circule en parallèle à travers les noyaux secondaires 22, 42 et 62 dans des quantités 0s,, Oz2 et
0s3, comme indiqué par des flèches sur la figure 1.
Pour des circuits secondaires 20, 40et 60 équivalents, si, 0se2 et 0.3 doivent être aussi équivalents. Le traJet de retour du flux magnétique passe par la paroi 14 de l'enceinte, ou une culasse magnétique interne, comme indiqué par les flèches 0.m, sur les figures 1 et
Z628268
3. Le flux magnétique 0 dans chacun des noyaux 22, 42 et 62 produit 'une tension alternative dans chacun des enroulements 24, 44 et 64, respectivement. La tension dans chacun de ces enroulements est alors redressée en courant continu et appliquée en série, comme on l'a représenté. La haute tension continue entre 21 et 67 est ainsi obtenue par l'application en parallèle de flux magnétique à chacun des noyaux et le montage en cascade en série de la sortie redressée de
chacun des enroulements.
Comme on l'a représenté sur les figures, les noyaux secondaires et circuits secondaires sont séparés par un entrefer des noyau et circuit primaires. Cet intervalle ou entrefer 74 est, comme le montre au mieux la figure 4, rempli de gaz inerte isolant & haute pression et assure l'isolation continue nécessaire pour empêcher la formation d'arcs continus et le claquage du circuit. Le noyau secondaire 42, représenté sur la figure 4, a une section droite semi-cylindrique pour que la surface extérieure corresponde & la forme cylindrique du noyau primaire. L'adaptation des formes comprenant des formes non cylindriques tient compte d'un entrefer uniforme. L'entrefer 74 est réalisé comme distance minimale pour maintenir le flux de fuite & un minimum et comme distance nécessaire pour empêcher la formation d'arcs. L'agencement de circuits secondaires représenté sur la figure 2 permet un doublement effectif de la tension continue prélevée sur chaque enroulement secondaire. Comme il est classique dans les doubleurs de tension, les secondaires de la figure 2 ont deux paires de condensateurs et diodes en série entre les bornes de chaque enroulement, les diodes ayant des polarités opposées pour charger chaque condensateur à la tension totale aux bornes de l'enroulement pendant des phases opposées. Les condensateurs sont reliés en série & la
charge de sortie, doublant ainsi la tension de sortie.
Le cylindre intérieur 76 et le cylindre extérieur 78 sont des cylindres non-magnétiques qui assurent un blindage électrostatique, Du fait que la haute tension apparaît entre les deux cylindres, il est important de prévoir des surfaces continues lisses pour empêcher le chaquage par effet corona ou tension continue. L'entrefer 74, en liaison avecles cylindres 76 et 78 et la dimension et le diamètre de chacun, est déterminé par le champ électrostatique maximum et la rigidité diélectrique du milieu isolant pour empêcher
le chaquage de tension.
Du fait que le générateur de tension de la présente invention est alimenté en parallèle et non en série, il permet une beaucoup plus grande simplicité de conception pour obtenir des niveaux d'énergie ou de puissance différents. On obtient des tensions de sortie plus élevées, simplement en ajoutant des étages, en augmentant la largeur de l'entrefer contenant du gaz et/ou en modifiant les diamètres des circuits secondaire. et primaire, ainsi que par des méthodes de
multiplication de tension.
Les adaptations de la structure de la présente invention doivent être conformes aux limites de contrainte de tension maximales admissibles pour une géométrie de cylindres concentrique. On augmente le courant en augmentant la dimension des circuits magnétiques, des redresseurs et/ou des condensateurs de filtrage, selon les nécessités. De plus, on peut optimiser le générateur de tension de la présente invention, en ce qui concerne sa dimension et son poids
globlaux en augmentant la fréquence du courant actif.
Cela permet de diminuer la dimension et le poids des matériaux magnétiques et de réduire l'énergie emmagasinée, tout en augmentant l'énergie de sortie. On paye cependant par l'augmentati.on des pertes de courants de Foucault et hystéréris l'augmentation de la fréquence de fonctionnement. On peut compenser ces pertes en utilisant des matériaux de noyau supérieurs et des techniques de construction supérieures pour maintenir des rendements à haute puissance. Les techniques de construction améliorées peuvent comprendre une culasse magnétique en matière de noyau stratifiée revêtant la paroi de l'enceinte, ce qui élimine dans une large mesure la transmission du flux au boîtier, qui est très dissipatif en raison de sa structure non feuilletée et du choix de matériau
nécessaire pour la solidité.
Les figures 5 et 6 représentent un mode de réalisation de la présente invention réalisé pour un fonctionnement en alimentation triphasée. Le noyau magnétique primaire est divisé en trois sections 80, 82 et 84 entourées par les sections d'enroulement primaire , 92 et 94. Chaque noyau secondaire est divisé corrélativement en trois sections 86, 87 et 88, avec des enroulements 96, 97 et 98, respectivement. Le générateur de puissance triphasé comporte un entrefer 81 et des blindages électrostatiques 83 et 85. Trois redresseurs 91, 93 et 95 sont prévus pour chaque secondaire, pour la conversion de la sortie triphasée de chaque secondaire en courant continu. D'autres formes de conversion peuvent être utilisées si on le désire; par exemple un circuit redresseur en pont triphasé & double alternance utilisant six redresseurs
par étage.
Comme une puissance triphasée est fournie aux bornes 100, un flux magnétique est engendré dans les segments du noyau primaire 80, 82 et 84, induisant un flux dans les noyaux secondaires 102, 104 et 106, engendant un courant dans les secondaires 103, 105 et 107. La sortie totale du générateur de tension est la
somme des sorties redressées de chacun des secondaires.
Il va de soi qu'on peut apporter à la
description précédente et au dessin annexé de
nombreuses modifications de détail sans, pour cela,
sortir du cadre de l'invention.
Claims (17)
1. - Convertisseur de tension, comprenant un circuit électromagnétique primaire.qui comporte un noyau magnétique primaire; un premier circuit électromagnétique secondaire qui comporte un premier noyau magnétique secondaire, caractérisé en ce que le noyau primaire définit deux segments en arc (10, 12) supportés & l'intérieur d'un boîtier (14), le premier noyau secondaire (22) se trouve & l'intérieur dudit boîtier, et en ce qu'il comporte des moyens pour relier 1O le circuit primaire (16, 18) & une source de courant alternatif, et un premier circuit de redressement (26, 28) relié au premier circuit secondaire (20), un premier champ magnétique étant établi lorsque du courant alternatif est appliqué au circuit primaire, le premier circuit secondaire étant positionné de façon que ledit premier champ magnétique induise une circulation de courant dans ledit premier circuit secondaire.
2. - Convertisseur de tension selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, un second circuit électromagnétique secondaire (40) adjacent au premier circuit secondaire (20) à l'intérieur dudit boîtier (14), et un second circuit de redressement (46, 48) relié au second circuit secondaire (40), une circulation de courant étant induise dans le second circuit secondaire (40) en même temps que la circulation de courant dans le premier
circuit secondaire (20).
3. - Convertisseur de tension selon la revendication 2, dans lequel le premier circuit de redressement et le second sont montés électriquement en série.
4. - Convertisseur de tension, comprenant un boîtier ayant un axe central, un premier élément de pôle allongé supporté & l'intérieur du boîtier, un second élément de pôle allongé supporté à l'intérieur du boîtier à l'opposé du premier élément de pôle, les axes allongés de chacun des poles s'étendant parallèlement à l'axe central du boîtier, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une pluralité d'éléments de noyau positionnées l'intérieur du boîtier entre les poles répartis le long de l'axe du boîtier, un enroulement d'attaque enroulé autour de chacun desdits poles, des moyens pour appliquer du courant alternatif audit enroulement d'attaque, un enroulement inductif entourant chacun des éléments 'de noyau, lesdits
enroulements inductifs étant montés en série.
5. - Convertisseur de tension selon la revendication 4, caractérisé en ce que chacun des éléments de noyau comprend deux branches radiales s'étendant à partir de l'axe central, le long d'un diamètre commun du bottier vers lesdits éléments de pôle.
6. - Convertisseur de tension selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, un troisième élément de pôle allongé, lesdits éléments de pôle étant répartis & intervalles égaux sur le périmètre du bottier, et chacun des éléments de noyau comprenant trois branches radiales s'étendant à partir de l'axe central du bottier vers les éléments de pôle.
7. - Convertisseur de tension selon l'une
quelconque des revendications 4 et 6, caractérisé en ce
que l'enroulement d'attaque et les pôles engendrent un champ magnétique et que les éléments de noyau sont
exposés, en parallèle, au champ magnétique.
8. - Convertisseur de tension selon l'une
quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce
que chacun des éléments de pôle a une section droite sensiblement en forme de croissant, chacune desdites branches ayant une portion terminale adjacente à l'un
des éléments de pôles, et les portions terminales ayant-
une forme de section droite sensiblement en croissant, la surface de ladite portion terminale étant nettement
écartée de la surface de l'élément de pôle.
9. - Convertisseur de tension, comprenant un premier boîtier cylindrique ayant une surface extérieure et une surface intérieure, au moins deux éléments de poles adjacents & la surface intérieure, au moins un élément de noyau placé le long de l'axe central du boîtier et séparé des éléments de pôles par un entrefer isolant, caractérisé en ce qu'un premier écran de blindage cylindrique sépare les éléments de pole dudit entrefer isolant et qu'un second écran de blindage cylindrique sépare ledit élément de noyau
dudit entrefer isolant.
10. - Convertisseur de tension selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un enroulement primaire et un enroulement secondaire, et que le premier champ magnétique induit
un flux magnétique dans le noyau secondaire.
11. - Convertisseur de tension selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre plusieurs' circuits de redressement montés en série.
12. - Convertisseur de tension selon la revendication 4, caractérisé en ce.qu'il comprend un circuit de redressement interposé entre chacun des enroulements.
13. - Source de tension pour courant alternatif ou continu, comprenant un circuit électromagnétique primaire, ledit circuit primaire comprenant un noyau magnétique primaire, un premier circuit électromagnétique secondaire, ledit premier circuit secondaire comprenant un premier noyau magnétique secondaire, caractérisée en ce que le noyau primaire définit deux segments en arc supportés a l'intérieur d'un boîtier et que le premier noyau secondaire se trouve & l'intérieur du boîtier, qu'il comporte des
moyens pour relier le circuit primaire à une source de-
courant et qu'un premier champ magnétique est établi, lorsque la source de courant est reliée au circuit primaire, le premier champ magnétique induisant une circulation de courant dans le premier circuit secondaire.
14. - Source de tension selon la revendication 13, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un second circuit électromagnétique secondaire adjacent audit premier circuit secondaire, à l'intérieur dudit boîtier, une circulation de courant étant induite dans le second circuit secondaire, en même temps que la circulation de courant dans le premier circuit
secondaire.
15. - Source de tension selon la revendication 14, dans laquelle les tensions développées par le
premier circuit et le second circuit sont en série.
16. - Source de tension selon la revendication
14, dans laquelle les courants Sont en phase.
17. - Source de tension selon la revendication 15, caractérisée en ce que le premier circuit et le second circuit sont des circuits de redressement pour
produire un courant continu.
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