Production de haute tension à onduleur

Le principal inconvénient des systèmes alimentés en 50 HZ et utilisant des transformateurs élévateurs de tension est directement lié aux caractéristiques de transformateurs. Il faut de la haute tension donc beaucoup de spires de cuivre et de la puissance donc beaucoup de volume de fer et du cuivre de gros diamètre. Cela fait un gros transformateur qui est dans l'huile pour un meilleur diélectrique. C'est très gros très lourd et c'est cher.

Les composants actuels permettent de s'affranchir du 50 HZ et pour diminuer le volume de fer et de cuivre tout en conservant la puissance il faut augmenter la fréquence. Grâce aux thyristors et aussi aux transistors IGBT on va pouvoir créer un courant alternatif à fréquence plus élevée tout en étant aussi puissant. Les fréquences avec les thyristors sont aux environ de 5kHZ et atteignent les 20kHZ avec les transistors. Les nouveaux générateurs à transistors sont de surcroît totalement silencieux pour les utilisateurs.

Les onduleurs seront alimentés en courant continu provenant du réseau 50HZ redressé et filtré.

Ces générateurs sont puissant très stable car contrôlés et régulés par des microcontrôleurs .La haute tension est d'excellente qualité car la fréquence élevée permet un filtrage par des condensateurs de très faible valeur ne dégradant pas le temps de montée. Les temps de montée sont d'ailleurs inférieurs à la milliseconde. Les régulations sont très sophistiquées et elles sont séparées pour les kV et les mA. Ces générateurs peuvent donc faire sans difficultés des radiographies en charge constante et en charge décroissantes. Les générateurs les plus performants ont un redresseur secteur fournissant une tension intermédiaire régulée et filtrée variable et gérée de façon a permettre à l'onduleur de travailler à une fréquence minimisant le taux d'ondulation . Cela permet d'obtenir une haute tension autorisant un spectre de rayons X très homogène.

Un onduleur à thyristor est constitué de 4 thyristors montés en pont . Ce pont en H est alimenté en courant continu et est chargé par un réseau oscillant formé d'une self et d'un condensateur. La self est en réalité le primaire du transformateur haute tension.

On voit sur le schéma de principe que le fait d'amorcer les thyristors 1 et 4 fait passer un courant oscillant dans la self et le condensateur. Ce courant est d'abord positif et passe par zéro. Le courant réactif , d'amplitude inférieure a cause des pertes , sera négatif et passera par les diodes inverses montées en parallèle des thyristors. La période propre de l'oscillation dépend de la valeur de la self et du condensateur. L'amplitude de l'oscillation dépend des caractéristiques de la self et du condensateur et aussi de la tension d'alimentation. La fréquence globale de l'oscillation dépend de la cadence à laquelle on commande les thyristors 1 et 4 puis, pour l'onde inverse, 2 et 3.

Par cette méthode on obtient un courant alternatif constitué de pulses de sinusoïdes. Le primaire du transformateur haute tension étant la self, on peut agir sur la valeur du condensateur, la tension d'alimentation et la fréquence de commande pour influencer la puissance fournie les kV produits et le taux d'ondulation. Donc si on souhaite beaucoup de puissance, en radiographie, on fait travailler l'onduleur à fréquence élevée avec une tension d'alimentation importante . En fluoroscopie la puissance nécessaire sera faible et on travaille avec une petite valeur de condensateur une tension d'alimentation plus faible et une fréquence de commande peu élevée.

Pour les puissance les plus élevées on est limité par les caractéristiques de turn off des thyristors : cela va déterminer la fréquence maximale de commande de l'onduleur. Le turn off correspond au temps que met le thyristor à évacuer ses porteurs de charge . Pendant ce temps le thyristor est encore conducteur alors qu'un courant inverse le traverse. Si pendant cette période de temps les thyristors 1et 4 sont encore conducteurs et que l'on amorce les thyristors 2 et 3 on fait un court circuit de l'alimentation. C'est donc une des limites des onduleurs a thyristors.

Avec les onduleurs à transistors ces contraintes n'existent plus et on peut donc travailler à des fréquences plus élevées. Cela est possible depuis l'apparition sur le marché de transistors rapides supportant des courants important et pouvant travailler sous des tensions élevées. C'est le cas des transistors IGBT (isolated gate bipolar transistor).

La tension continue intermédiaire alimentant l'onduleur peut aussi provenir non plus du secteur 50HZ mais de batteries. C'est utilisé sur des générateurs mobiles complètements autonomes.

La tension continue intermédiaire peut aussi provenir , sur les appareils mobiles, d'une prise secteur 220V 16A classique se trouvant habituellement dans la chambre d'un malade hospitalisé. Pour obtenir une radiographie de forte puissance on va lentement charger le condensateur alimentant l'onduleur à partir du secteur. Le condensateur est dans ce cas de très forte valeur ( par exemple 0.2 F ) et c'est lui qui va fournir toute la puissance, par exemple 30kW, nécessaire à la radiographie.