FR2768273A1 - Dispositif de conversion de l'energie a butee auto-adaptive et son procede de fonctionnement - Google Patents
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Abstract
Dispositif de conversion, du type à transistors, comprenant des moyens pour onduler une tension continue afin d'obtenir une tension alternative, des moyens de filtrage de la tension alternative, incluant au moins une inductance parallèle Lp , ledit dispositif étant capable de fonctionner au dessus d'une fréquence de résonance Fp . Le dispositif de conversion comprend des moyens pour prévoir un passage à zéro du courant instantané Ilp dans l'inductance parallèle Lp et des moyens pour commander la commutation d'un transistor du dispositif si un passage à zéro du courant Ilp est prévu.
Description
Dispositif de conversion de l'énergie à butée auto-
adaptive et son procédé de fonctionnement La présente invention concerne le domaine de la conversion
continue-alternative de l'énergie électrique.
Les onduleurs sont alimentés par une tension continue et
fournissent en sortie une tension alternative grâce à un ou plusieurs demi-
ponts à transistor. La tension alternative de sortie fait l'objet
généralement d'un filtrage.
De tels onduleurs sont utilisés, entre autres, pour l'alimentation électrique d'un tube à rayons X. Un tube à rayons X monté, par exemple, dans un appareil de radiologie médicale, comprend une cathode et une anode toutes deux enfermées dans une enveloppe étanche sous vide, de façon à réaliser un isolement électrique entre ces deux électrodes. La cathode produit un faisceau d'électrons qui est reçu par l'anode sur une petite surface constituant un foyer d'o sont émis les rayons X. Lors de l'application d'une haute tension d'alimentation par un générateur aux bornes de la cathode et de l'anode de façon que la cathode soit à un potentiel négatif -V et l'anode à un potentiel positif + V par rapport à celui de la cathode, un courant dit anodique s'établit dans le circuit au travers du générateur qui produit la haute tension d'alimentation. Le courant anodique traverse l'espace entre la cathode et
l'anode sous la forme du faisceau d'électrons qui bombarde le foyer.
L'anode a la forme d'un disque plat porté par un arbre entraîné en rotation par un rotor d'un moteur électrique dont le stator est disposé à l'extérieur de l'enveloppe, dans le but de favoriser la dissipation de l'énergie. Le tube à rayons X est disposé dans une enceinte remplie d'un
fluide réfrigérant et isolant.
Les caractéristiques des rayons X qui sont émis par le tube, notamment leur dureté, dépendent de nombreux paramètres parmi lesquels la valeur de la haute tension appliquée aux électrodes. Cette haute tension doit être réglable pour obtenir les caractéristiques recherchées et doit rester constante pendant toute la durée de la pose radiologique afin de ne pas modifier les caractéristiques de fonctionnement d'un récepteur de rayons X qui reçoit les rayons X ayant
traversé l'objet en cours d'examen.
Les tubes à rayons X pour diagnostic médical fonctionnent par impulsion. Il est donc important que le temps d'établissement de la haute tension ainsi que le temps de retour de cette haute tension à une valeur
nulle soit aussi bref que possible.
Un générateur haute tension pour tube à rayons X comprend généralement un circuit d'alimentation qui fournit une tension continue E à partir d'une tension alternative fournie par le secteur. La tension E est
appliquée aux bornes d'un onduleur du type comprenant au moins un demi-
pont à transistors, chaque branche du demi-pont comprenant un interrupteur S constitué d'un transistor T et d'une diode de roue libre D montée en anti-parallèle. Le signal alternatif fourni par l'onduleur est appliqué au primaire d'un transformateur élévateur de tension de rapport de transformation k, par l'intermédiaire d'un filtre. Le secondaire du transformateur élévateur de tension est connecté à un circuit de redressement et de filtrage comprenant au moins un demi-pont à diodes et
des condensateurs Cf de filtrage de la tension.
De façon connue, l'onduleur comprend un couple de transistors connecté en série sur les bornes de sortie du circuit d'alimentation. Une diode est connectée entre le collecteur et l'émetteur de chaque transistor T de façon que son anode soit connectée à l'émetteur du transistor correspondant. Les bases des transistors sont connectées à un circuit de commande qui fournit des signaux de commutation des transistors. Les deux bornes de sortie de l'onduleur sont constituées, dans le cas d'un seul demi-pont par le point commun des deux branches du demi-pont et par un point commun à deux condensateurs montés en parallèle du demi-pont, et, dans le cas de deux demi-ponts par chaque point commun aux deux
transistors d'un demi-pont.
Le filtre de sortie de l'onduleur comprend par exemple une bobine Lr et un condensateur Cr disposés en série, et une bobine Lp disposée en parallèle du condensateur Cr. Une des bornes du filtre est connectée à une borne de sortie de l'onduleur et l'autre borne est connectée
à une borne du circuit primaire du transformateur.
Le circuit de redressement connecté au secondaire du transformateur élévateur de tension est constitué, par exemple, par un pont à deux diodes, le point commun au deux diodes étant connecté à l'une des bornes des sorties du secondaire du transformateur, deux condensateurs Cfl et Cf2 étant disposés en parallèle du pont à diode, l'autre borne du secondaire du transformateur étant connectée au point commun
aux deux condensateurs Cfl et Cf2.
Le circuit de commande comprend essentiellement un comparateur, un circuit de mesure du courant Ilr au primaire du transformateur et un circuit d'élaboration des signaux de commutation des transistors de l'onduleur. Les deux bornes d'entrée du comparateur sont connectées, l'une, au point commun de deux résistances d'un diviseur de tension auquel est appliqué la tension continue Vcf d'alimentation du tube à rayons X, et, l'autre, à une source de tension de consigne. La borne de sortie du comparateur fournit un signal dont l'amplitude est proportionnelle à la différence entre les deux tensions appliquées aux bornes d'entrée et est connectée à une borne d'entrée du circuit d'élaboration des signaux de commutation, de façon à faire évoluer la fréquence des signaux de commande des transistors. La borne de sortie du circuit de mesure du courant dans le primaire du transformateur est connectée à une autre borne d'entrée du circuit d'élaboration des signaux de commutation dans le but de détecter et d'éviter certains mauvais
fonctionnements de l'onduleur.
De façon classique, la variable de commande sur laquelle agit le circuit de commande est le délai Td à l'amorçage des transistors à compter
de l'instant de passage du courant de l'onduleur à la valeur nulle.
La présence d'un filtre à double résonance permet d'obtenir une évolution du courant de l'onduleur en fonction de la fréquence, monotone croissante entre la fréquence de résonance parallèle et la fréquence de résonance série dont les valeurs dépendent des valeurs du condensateur Cr, de la bobine série Lr et de la bobine parallèle Lp du filtre. Il apparaît donc que l'on peut commander la puissance transmise au tube à rayons X par la fréquence de fonctionnement de l'onduleur et par conséquent par le délai à l'amorçage Td. Toutefois, on voit également que si l'on fonctionne en dessous de la fréquence de résonance parallèle Fp, la valeur du courant de l'onduleur est monotone décroissante en fonction de la fréquence ce qui
peut conduire à une mise en défaut de la régulation.
La présente invention a pour but de remédier à cet inconvénient en garantissant que l'onduleur reste à une fréquence de fonctionnement supérieure à la fréquence de résonance parallèle Fp, dont la valeur d'un appareil à l'autre peut varier de l'ordre plus ou moins de 5 % en raison de la
dispersion des valeurs du condensateur et des bobines du filtre.
La présente invention a également pour but de proposer un
onduleur dont le fonctionnement à vide et à faible charge soit satisfaisant.
La présente invention a encore pour objet un procédé de fonctionnement d'un dispositif de conversion garantissant que l'onduleur reste à une fréquence de fonctionnement supérieure à la fréquence de
résonance parallèle Fp.
En effet, lorsqu'à partir d'un fonctionnement à vide, on augmente la puissance transmise à la charge qui est constituée par le transformateur, l'amplitude du courant passant dans les transistors augmente tandis que l'amplitude du courant passant dans les diodes associées diminue. A vide l'harmonique 1 du courant Ilr passant dans l'inductance série Lr,, le courant Ilr étant égal au courant passant dans le primaire du transformateur, passe à zéro en même temps que le courant Ilr lui-même. Lorsque l'on augmente la charge, l'harmonique 1 du courant Ilr se décale par rapport au courant Ilr et passe à zéro plus tard, pendant le temps de conduction de la diode. Il en résulte que l'harmonique 1 du courant Ilp passant dans l'inductance parallèle Lp qui est en opposition de phase avec l'harmonique 1 du courant Ilr, passe également à zéro dans le temps de conduction de la diode. Or Ilp est quasi sinusoïdal. Ilp passe donc
à zéro pendant le temps de conduction de la diode c'est-à-dire après Ilr.
En effet, la tension Vlp aux bornes de l'inductance parallèle est en avance de 90 par rapport à Ilp et que le courant Icr passant dans le condensateur est avance de 90 par rapport à la tension aux bornes du condensateur qui est égale à Vlp. Ilp et Icr sont donc déphasés de 180 . Or l'harmonique 1 de Ilr est égale à la somme de l'harmonique 1 de Icr et de l'harmonique 1 de Ilp qui passent à zéro en même temps et l'amplitude de Icr est supérieure à celle de Ilp. Il en résulte que Ilr est de même signe que Icr et que l'harmonique 1 de Ilr est en opposition de phase avec l'harmonique 1 de Ilp. En régime permanent, et lorsque de la puissance est transmise à la charge constituée par le transformateur, on doit donc avoir Ilr qui passe à zéro avant Ilp. Dans le cas contraire, si Ilr passe à zéro après Ilp, l'onduleur se trouve dans un régime de fonctionnement anormal. La sortie du transformateur étant reliée à un pont à diodes, l'ensemble de conversion d'énergie n'est pas réversible et le transformateur ne peut donc fournir d'énergie à l'onduleur. Ainsi, si la commande des transistors est telle que Ilr passe à zéro après Ilp, les conditions ne sont plus remplies pour avoir un
régime permanent et le fonctionnement de l'onduleur devient instable.
L'invention a également pour objet d'empêcher que Ilr passe à
zéro après lip.
Le dispositif de conversion, selon l'invention, est du type à transistor et comprend des moyens pour onduler une tension continue afin d'obtenir une tension alternative de fréquence F, des moyens de filtrage de la tension alternative incluant au moins un inductance parallèle Lp, le dispositif étant capable de fonctionner au-dessus d'une fréquence de résonance. Le dispositif de conversion comprend des moyens pour prévoir un passage à zéro du courant instantané Ilp dans l'inductance parallèle Lp, et des moyens pour commander la commutation d'un transistor du dispositif si un passage à zéro du courant Ilp est prévu. On garantit ainsi un
fonctionnement satisfaisant en régime permanent à faible charge c'est-à-
dire à proximité de la fréquence de résonance même dans le cas o certains composants du dispositif de conversion ont des valeurs légèrement
différentes de leurs valeurs nominales.
Dans un mode de réalisation de l'invention, le dispositif de conversion comprend un moyen pour mesurer la valeur instantanée du courant Ilp, un moyen pour calculer la valeur de la dérivée par rapport au temps I'lp du courant Ilp, un moyen pour calculer le produit de la dérivée I'lp par un délai prédéterminé tF et un moyen pour comparer la valeur
instantanée du courant Ilp et le produit I'lp x tF.
Un transistor peut ainsi être remis en conduction dès que l'on
prévoit que le courant Ip va passer à zéro dans le délai tF.
Le dispositif de conversion peut comprendre un transformateur de mesure du courant Ilp capable de fournir une tension VI représentative de la valeur instantanée du courant Ilp, un circuit dérivateur de la tension V1 capable de fournir une tension V2 représentative du produit de la dérivée V'1 par le délai prédéterminé tF et un circuit comparateur des tensions V1 et V2, la sortie du circuit comparateur étant reliée à un
dispositif de commande de la commutation des transistors.
Dans un mode de réalisation de l'invention, le convertisseur est à double résonance de façon que le courant en sortie du convertisseur soit monotone croissant en fonction de la fréquence de fonctionnement F qui est supérieure à la fréquence de résonance Fp. Les moyens de filtrage peuvent comprendre un condensateur Cr et une inductance Lr disposés en série à la sortie des moyens d'ondulation, l'inductance parallèle Lp étant
disposée en parallèle du condensateur Cr.
Dans un mode de réalisation de l'invention, les moyens d'ondulation comprennent au moins un demi-pont à deux transistors,
chaque transistor étant pourvu d'une diode de roue libre.
Généralement, le dispositif de conversion comprend un transformateur élévateur de tension dont le primaire est alimenté par les moyens d'ondulation et des moyens de redressement de la tension reliés au
secondaire du transformateur.
Le procédé de fonctionnement selon l'invention d'un dispositif de conversion à transistors, comprenant des moyens pour onduler une tension continue afin d'obtenir une tension alternative de fréquence F, des moyens de filtrage de la tension alternative, incluant au moins une inductance en parallèle Lp, se caractérise par le fait qu'on détermine le passage à zéro du courant instantané Ilp dans l'inductance parallèle Lp et on commande la commutation d'un transistor du dispositif au plus tard
lorsque le passage à zéro du courant Ilp est prévu.
L'étape de prévision de passage par zéro du courant Ilp comprend la mesure de la valeur instantanée du courant Ilp, le calcul de la dérivée en fonction du temps I'lp du courant instantané Ilp, le calcul du produit de cette dérivée I' lp par un délai prédéterminé tF et la comparaison du produit à une valeur de référence, la prévision du passage par zéro du courant Ilp étant réalisée lorsque le produit est inférieur à la valeur de référence. Cette valeur de référence est le courant Ilp. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages
apparaîtront à la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre
d'exemple nullement limitatif et illustré par les dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un schéma fonctionnel d'un dispositif de conversion de l'énergie la figure 2 est un diagramme montrant la variation du courant fourni à la charge en fonction de la fréquence de fonctionnement de l'onduleur; la figure 3 est un diagramme temporel montrant l'évolution au cours du temps des courants Ilp et Ilr à vide; la figure 4 est un diagramme temporel montrant l'évolution au cours du temps des courants Ilp et Ilr en charge; la figure 5 est un schéma fonctionnel représentant les moyens de
prévision du passage à zéro du courant Ilp, selon l'invention.
Dans le dispositif de conversion tel qu'il est représenté à la figure 1, on choisira une fréquence de résonance parallèle Fp = 20 khz afin de se situer en dehors du spectre audible. La durée de conduction d'un
transistor T est égale à 4 us. On choisit donc de fixer tFà la valeur de 4 us.
Ainsi, dès que l'on prévoit un passage à zéro de Ilp dans 4 us, on provoque la mise en conduction d'un transistor T qui s'achèvera à l'issue du délai de 4 us. Par conséquent le courant Ilr atteint une valeur nulle en même temps que le courant Ilp ce qui est la condition recherchée pour un
fonctionnement stable en régime permanent.
Comme on peut le voir sur la figure 5, on dispose un transformateur T1 de mesure du courant Ilp sur un des conducteurs d'amenée de la bobine Lp. Le transformateur Ti est relié à une résistance Ro de façon à obtenir aux bornes de R0 une tension V1 proportionnelle au
courant passant dans le secondaire du transformateur T1 lui-même lui-
même proportionnel au courant Ilp. La tension V1 est ensuite fournie à un circuit dérivateur comprenant une résistance R1, et un condensateur C1 en série relié à la borne négative d'un amplificateur opérationnel 1. Cette borne négative est également reliée par l'intermédiaire d'une résistance R2 à la borne de sortie de l'amplificateur opérationnel 1. La borne positive de l'amplificateur opérationnel est reliée à la masse par l'intermédiaire d'une résistance non représentée. La résistance R1, faible par rapport à R2, limite
la bande passante et évite la dérivation des bruits présents sur le circuit.
On obtient donc en sortie de l'amplificateur opérationnel 1 une tension V2 qui est proportionnelle au produit de la dérivée V'1 de la tension V1 par rapport au temps par la constante de temps t1 du circuit dérivateur. Cette constante de temps t! est égale au produit de la résistance R2par le condensateur C1. On choisit donc ces deux composants tels que t1
soit égal par exemple à 4 ps.
Les tensions V1 et V2 sont fournies à un circuit comparateur comprenant un amplificateur opérationnel 2 dont la borne négative est reliée à la sortie du transformateur tl pour prélever la tension V1 par l'intermédiaire d'une résistance R3 et à la sortie de l'amplificateur opérationnel 1 pour prélever la tension V2 par l'intermédiaire d'une résistance R4 dont la valeur est égale à celle de la résistance R3. La borne positive de l'amplificateur opérationnel 2 est reliée à la masse par une
résistance non représentée.
La borne de sortie de l'amplificateur opérationnel 2 fournit donc un signal discret dont l'état dépend de la comparaison des tensions V1 et V2. Ce signal est envoyé au circuit de commande des transistors qui commande la mise en conduction d'un transistor dès que la tension V1 devient inférieure à la tension V2 ce qui correspond à la prévision d'un
passage à zéro du courant Ilp dans 4 gs.
Grâce à l'invention, on dispose d'un dispositif de conversion de l'énergie pourvu d'un butée auto-adaptative en fréquence qui peut s'accommoder de valeurs d'inductance et de capacité subissant des dispersions autour de leurs valeurs nominales sans risquer un fonctionnement instable de l'onduleur. Dès que la butée se déclenche, les transistors sont mis en conduction de façon anticipée ce qui se traduit par une augmentation de la fréquence de fonctionnement et évite ainsi un
passage sous la fréquence de résonance.
Claims (10)
1. Dispositif de conversion à transistors, comprenant des
moyens pour onduler une tension continue afin d'obtenir une tension alter-
native de fréquence F. des moyens de filtrage de la tension alternative, in-
cluant au moins une inductance parallèle Lp, ledit dispositif étant capable de fonctionner au dessus d'une fréquence de résonance Fp, caractérisé par
le fait qu'il comprend des moyens pour prévoir un passage à zéro du cou-
rant instantané Ilp dans l'inductance parallèle Lp et des moyens pour com-
mander la commutation d'un transistor du dispositif si un passage à zéro
du courant Ilp est prévu.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen pour mesurer la valeur instantanée du courant Ilp, un moyen pour calculer la valeur de la dérivée par rapport au temps I'lp du courant Ilp, un moyen pour calculer le produit de la dérivée I'lp par un délai prédéterminé tF, et un moyen pour comparer la valeur instantanée
du courant Ilp et ledit produit I'lp *tF.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comprend un transformateur de mesure du courant Ilp capable de fournir une tension V1 représentative de la valeur instantanée du courant Ilp, un circuit dérivateur de la tension V1 capable de fournir une tension V2 représentative du produit de la valeur de la dérivée V'1 par le délai prédéterminé tF, et un circuit comparateur des tensions V 1 et V2, la sortie du circuit comparateur étant reliée à un dispositif de commande de la
commutation des transistors du dispositif.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisé par le fait que le convertisseur est à double résonance de façon que le courant en sortie du convertisseur soit monotone croissant en fonction de la fréquence de fonctionnement F, ladite fréquence de fonctionnement F étant supérieure à la fréquence de
résonance Fp.
5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les moyens de filtrage comprennent un condensateur Cr et une inductance Lr disposés en série à la sortie des moyens d'ondulation,
l'inductance parallèle Lp étant disposée en parallèle du condensateur Cr.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisé par le fait que les moyens d'ondulation comprennent au moins un demi-pont à deux transistors, chaque transistor
étant pourvu d'une diode de roue libre.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend un transformateur élévateur de tension dont le primaire est alimenté par les moyens d'ondulation, et des moyens de redressement de la tension reliés au
secondaire du transformateur.
8. Procédé de fonctionnement d'un dispositif de conversion à transistors, comprenant des moyens pour onduler une tension continue afin d'obtenir une tension alternative de fréquence F, des moyens de filtrage de la tension alternative, incluant au moins une inductance en parallèle Lp, se caractérise par le fait qu'on détermine le passage à zéro du courant instantané Ilp dans l'inductance parallèle Lp et on commande la commutation d'un transistor du dispositif au plus tard lorsque le passage à
zéro du courant Ilp est prévu.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la prévision de passage par zéro du courant Ilp comprend la mesure de la valeur instantanée du courant Ilp, le calcul de la dérivée en fonction du temps I'p du courant instantané Ilp, le calcul du produit de cette dérivée I' lp par un délai prédéterminé tF et la comparaison du produit à une valeur de référence, la prévision du passage par zéro du courant Ilp étant réalisée
lorsque le produit est inférieur à la valeur de référence.
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la
valeur de référence est le courant Ilp.
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