brion
publicité
EUROPULSE EPI 10 19 octobre 2006 Titre 10èmes ENTRETIENS PHYSIQUE-INDUSTRIE Électronique de puissance : Du régime continu au régime impulsionnel Systèmes impulsionnels et applications Jean- Claude BRION EUROPULSE Route de Gignac – 46600 Cressensac – 33 (0) 5 65 37 76 66 [email protected] EPI 10 EUROPULSE 19 octobre 2006 Plan 2 Système impulsionnel Définition, domaine Impulsions SYSTEMES IMPULSIONNELS Formes usuelles, paramètres Stockage d’énergie Capacitif circuits RLC et Ligne, Inductif circuits à ouverture et fermeture Dispositifs de commutation APPLICATIONS Circuits multiplicateur de tension Générateurs de Marx Transformateurs à ligne, LTD Mise en forme des impulsions Applications Radiographie Éclair, CEP, UWB, EUROPULSE Route de Gignac – 46600 Cressensac – 33 (0) 5 65 37 76 66 [email protected] EUROPULSE EPI 10 19 octobre 2006 Définition S.I. 3 Définition d’un système impulsionnel Circuit électrique ayant stocké de l’énergie et la restituant pendant un temps « court » (compression de l’énergie – W = U.I.t) Paramètres intervenants sur la restitution de l’énergie : - caractéristiques électriques des composants du circuit (L, R,C) - caractéristiques électriques de l’impédance de charge (L, R,C) - conditions initiales (courant, tension dans les selfs et capacités) - caractéristiques du dispositif de commutation (t, R, L) EUROPULSE Route de Gignac – 46600 Cressensac – 33 (0) 5 65 37 76 66 [email protected] EPI 10 EUROPULSE 19 octobre 2006 Domaine S.I. 4 Domaine de prédilection Tension : kV à qq centaine de kV voire qq MV Courant : kA à qq centaine de kA voire qq MA Impédance : centaine de mΩ à qq dizaines Ω Temps de montée : centaine de ps à qq µs voire qq ms Largeur : centaine de ps à qq µs voire qq ms Fréquence : Mono coup à qq kHz EUROPULSE Route de Gignac – 46600 Cressensac – 33 (0) 5 65 37 76 66 [email protected] EPI 10 EUROPULSE 19 octobre 2006 Circuits Élémentaires 5 Circuits élémentaires Stocker l’énergie avant de la restituer Stockage capacitif Capacités + commutateur à fermeture (V) Stockage inductif Inductances + commutateur à ouverture (V) + commutateur à fermeture (I) EUROPULSE Route de Gignac – 46600 Cressensac – 33 (0) 5 65 37 76 66 [email protected] EPI 10 19 octobre 2006 Comparaison RLC Ligne 6 EUROPULSE Stockage Capacitif Comparaison Circuit R, L, C et Décharge de ligne L1 300e-9 Rl 02E-9 C1 50 DECHARGELIGNERLC01.CIR 1.25 Z0=5 Td=10 ns Z0=120 Td=2.5ns LT1 1.00 LT2 Rl 0.75 50 0.50 T = LC 0.25 L = Z 0 ⋅T 0.00 C= T Z0 0.00n v(3) v(8) 40.00n 80.00n 120.00n 160.00n 200.00n T Tout circuit est un enchevêtrement de lignes de transmission !! EUROPULSE Route de Gignac – 46600 Cressensac – 33 (0) 5 65 37 76 66 [email protected] EPI 10 19 octobre 2006 Stockage Inductif Principe 7 EUROPULSE Générateur de tension Stockage Inductif Principe : Faire parcourir une inductance par un courant Forcer ce courant à traverser à un instant donné une impédance .1 1V Rs 5E-6 L I(t1) S I(t1) VRL RL 100 1 à t = 0 Fermeture de S Nécessite un commutateur à ouverture brutale !! I(t) tend vers V / Rs 2 à t = t1 Ouverture brutale de S I(t1) traverse RL EUROPULSE Route de Gignac – 46600 Cressensac – 33 (0) 5 65 37 76 66 VRLcrête = RL . I(t1) [email protected] EPI 10 19 octobre 2006 Stockage Inductif Crowbar 8 EUROPULSE Stockage Inductif Principe : Circuit R, L, C, Crowbar Générateur de courant Faire parcourir une inductance par un courant Puis forcer ce courant à traverser une impédance de faible valeur Nécessite un commutateur à fermeture au zéro de tension 830e-6 C S1 L 25e-6 Rl < 2 (L/C)1/2 R 0.01 10 kV S2 1 à t = 0 Fermeture de S1 2 à t = t1 (Vc=0) Fermeture de S2 EUROPULSE Route de Gignac – 46600 Cressensac – 33 (0) 5 65 37 76 66 [email protected] EPI 10 19 octobre 2006 Dispositifs Commutation 9 EUROPULSE Principaux dispositifs de commutation (HPP) - Gaz : éclateurs pressurisés, éclateurs sous-vide, Plasma Opening Switch, thyratrons à hydrogène, ignitrons à mercure - Semi-conducteur : Thyristors, GTO, IGBT, MOSFET, Diodes, Diodes SRD - Solides : fusibles, armatures explosées Commutateurs à fermeture Commutateurs à ouverture Eclateurs pressurisés, sous-vide Plasma Opening Switch, GTO Thyratrons à hydrogène, ignitrons à mercure Thyristors, IGBT, MOSFET, SRD Thyristors, IGBT, MOSFET, Diodes Fusibles, armatures explosées Diodes SRD Impulsions qq 10 kV ton 100 ps (très faible encombrement) EUROPULSE Route de Gignac – 46600 Cressensac – 33 (0) 5 65 37 76 66 [email protected] EPI 10 19 octobre 2006 Commutateurs Fermeture 3 Photo 10 EUROPULSE Multi éclateurs Europulse Commutateurs 330 kJ Résistance 10 mΩ Ultra compact 3 chips Thyristor ISL / ABB 120 kA 13 kV 50 kJ 1.106.A2.s Ton : 30 µs C : 1.85 µF di/dt : 3.5 kA/µs V : 55 kV Diode crowbar Eclateur pressurisé ancien Ic: 250 kA Ton: 100 ns F: 500 kHz EUROPULSE Route de Gignac – 46600 Cressensac – 33 (0) 5 65 37 76 66 nouveau [email protected] EPI 10 EUROPULSE 19 octobre 2006 Photo Banc EP 11 Banc de Test de Fusibles C1=C2=C3=C4=C5= 0.3µF Rc Ir IR << I E1 Fusible Lr I IR Rcc C5 C4 C3 C2 U2 U1 K1 Rs Commande relais C.C. K1 E2 C1 Mesure I C11 R1 C10 R2 Mesure U1 Rp Mesure Ip Diviseur capacitif Mesure Vs (U2) Banc d’énergie Europulse 100 kV 40 kA 7.5 kJ EUROPULSE Route de Gignac – 46600 Cressensac – 33 (0) 5 65 37 76 66 [email protected] EPI 10 19 octobre 2006 Générateur Marx principe 12 EUROPULSE Dispositifs Multiplicateur de Tension (stockage capacitif) Générateurs de Marx Principe - Erwin Marx (1893 - 1980) Générer une haute-tension en chargeant des condensateurs en parallèle à bas niveau et en les déchargeant en série. Rc Vc S C Vs=n.Vc Vd R Vc Vd Vs n R : tension de charge : tension de déclenchement : tension de sortie : nombre d'étages : impédance de charge Vs S : commutateur à fermeture (éclateurs, thyristors) C : capacité d'un étage Rc : impédances assurant la charge des capacités EUROPULSE Route de Gignac – 46600 Cressensac – 33 (0) 5 65 37 76 66 [email protected] EPI 10 EUROPULSE 19 octobre 2006 Générateur Marx b 13 Générateurs de Marx Schéma équivalent lors de la mise en série des capacités Si R>2 (L/C)1/2 Vs = nVc ( e −t RCe −e − Rt L ) L nVc Ce S Vs R Ce : capacité équivalente ( C/n) R.Ce : décrit la décroissance du signal L : self équivalente R/L : décrit le temps de montée Réalisations : qq 10 kV à plusieurs MV R (Ω) Ton (ns) T50 (ns) Ce (nF) L (nH) 100 20 60 .87 900 100 10 200 2.9 450 100 1 200 2.9 45 EUROPULSE Route de Gignac – 46600 Cressensac – 33 (0) 5 65 37 76 66 [email protected] EUROPULSE EPI 10 GREC CEA DAM 19 octobre 2006 Générateur Marx Photo 14 Générateurs de Marx Vcharge : 65 kV Vsortie : 8 MV t50 : 40 ns Marx : 160 condensateurs Générateur récurrent Europulse Générateur de Marx à 13 étages - Tension : 350 kV - Courant : 6 kA - Fréquence de répétition : 100 Hz - Largeur à mi-hauteur : 46 ns - Temps de montée : < 15 ns - Impédance de charge : 60 Ω - temps de fonctionnement : > 10 s EUROPULSE Route de Gignac – 46600 Cressensac – 33 (0) 5 65 37 76 66 [email protected] EUROPULSE EPI 10 19 octobre 2006 Générateur Marx IEMN Photo 15 Générateur de Marx Impulsion Électromagnétique Nucléaire EUROPULSE Générateur DPH 400 kV ton : 1 ns t50 : 50 ns Générateur et transition Europulse 300 kV Collaboration Pulse Science / Europulse ton : 660 ps t50 : 250 ns (1993) EUROPULSE Route de Gignac – 46600 Cressensac – 33 (0) 5 65 37 76 66 [email protected] EPI 10 EUROPULSE 19 octobre 2006 Multiplicateur Ligne b 16 Dispositifs multiplicateur de tension Utilisation de lignes de transmission (ctes réparties ou localisées) T > 2 td influence de la ligne parasite Zp court-circuitée 25 Zc = 50 VVe Ve Zp = 182 2Ve RL Comparaison ctes localisées et réparties VRl 1.00 100 Zc = 50 Ve MULTILIGNELIGNE01.CIR 1.25 Ve 0.75 td = 50 ns Ve 25 Ve VVe 0.50 Zc = 50 0.25 2Ve Lp 920 nH Ve Zc = 50 RL 100 0.00 0.00u v(7) v(11) 0.20u 0.40u 0.60u 0.80u 1.00u V(4) T Impulsions larges augmenter Lp ou td EUROPULSE Route de Gignac – 46600 Cressensac – 33 (0) 5 65 37 76 66 [email protected] EPI 10 EUROPULSE 19 octobre 2006 Multiplicateur Ligne d 17 Dispositifs multiplicateur de tension VRl (crête) = n Vc C S Zc = 50 Vc S Zc C S Zc Vc C S Zc = 50 RL Vc 100 C Vc C S C Zc = 50 Ve Utilisation de plusieurs sources synchrones RL Vc S Zc Vc Choix technologiques : V, I, énergie, ton association parallèle possible EUROPULSE Route de Gignac – 46600 Cressensac – 33 (0) 5 65 37 76 66 [email protected] EPI 10 19 octobre 2006 Multiplicateur Ligne LTD 18 EUROPULSE Dispositifs multiplicateur de tension Du BALUN (transformateur adaptateur d’impédance pour antenne) AU LINEAR TRANSFORMER DRIVER (LTD) 1 C C V V C n V C V nV R Ve 2Ve Ve Vs = n V C C C C Ve BALUN Europulse Modularité, simplification isolement qq 10 v à 15 kV Isolement par matériaux magnétiques et non diélectriques qq 100 kHz à 3.4 GHz corps de chaque cellule à la masse, complexité mécanique EUROPULSE Route de Gignac – 46600 Cressensac – 33 (0) 5 65 37 76 66 [email protected] EPI 10 19 octobre 2006 Dispositif Mise en Forme 19 EUROPULSE Dispositifs de mise en forme d’impulsions Réduction du temps de montée Diminuer les inductances rapprocher les conducteurs Tenue en tension (30 kV/cm dans l’air à Pat) Utilisation d’une circuit capacité de crête (ou transfert) et maître éclateur Utilisation de composants non linéaires (inductances f(i,t), capacités) f(v,t)) Modification de la largeur Utilisation de lignes de mise en forme Utilisation de dispositifs de commutation déclenchés EUROPULSE Route de Gignac – 46600 Cressensac – 33 (0) 5 65 37 76 66 [email protected] EPI 10 EUROPULSE 19 octobre 2006 Application HPP 20 Applications des HPP APPLICATION SOURCE ELECTRIQUE (Générateur HPP) CHARGE V, I EFFET (Diode, Antenne, …) (Champ E, H, RX, …) E, B V, I EUROPULSE Route de Gignac – 46600 Cressensac – 33 (0) 5 65 37 76 66 [email protected] EPI 10 EUROPULSE 19 octobre 2006 Application HPP liste 21 Les Applications des Hautes Puissances Pulsées Radiographie Éclair Stérilisation par Champ Électrique Pulsé Radar Ultra Large Bande Simulation IEMN Micro-ondes de Forte Puissance Mise à Feu d’Explosifs Test de composés Pyrotechniques Fragmentation par Champ Électrique Pulsé Foudre Canon Électrique Compression de Flux Zpinch EUROPULSE Route de Gignac – 46600 Cressensac – 33 (0) 5 65 37 76 66 [email protected] EUROPULSE EPI 10 19 octobre 2006 RX Éclair Principe 22 Radiographie Éclair Observation non destructive de mobiles en milieu opaque ou éclairant et caractérisation à un instant donné des paramètres liés à la forme et à la vitesse (nature des mobiles : solide, liquide, ou gaz). Principe Générer des photons X d'énergie et d'intensité suffisante pendant une durée compatible avec la vitesse du mobile et la définition souhaitée. Exemple : Vitesse du mobile = 10 km/s ⇒ flou de 1 mm pour une durée d'émission de 100 ns. La mesure de la vitesse moyenne du mobile entre 2 points A et B nécessite de générer deux impulsions X à 2 instants différents parfaitement connus. Émission de photons X produite par un tube à cathode froide (émission de champ) soumis à une tension élevée impulsionnelle (V : quelques 10 kV à plusieurs MV, E > 100 kV/cm). Impulsion haute tension délivrée par un générateur de Marx ou LTD. EUROPULSE Route de Gignac – 46600 Cressensac – 33 (0) 5 65 37 76 66 [email protected] EPI 10 19 octobre 2006 RX Éclair Principe Caméléon 23 EUROPULSE Radiographie Éclair Source 1 ∆t = t2 – t1 V = d / ∆t collimateur d Films, CCD, plaques photo stimulables Laser HeNe Source 2 cible Flash X (40 ns) EUROPULSE Route de Gignac – 46600 Cressensac – 33 (0) 5 65 37 76 66 Photodiode [email protected] EPI 10 19 octobre 2006 RX Éclair Photo Tête Tubes 24 EUROPULSE Matériels Europulse Générateur EUROPULSE Dose @ 1m (mRads) T50 (ns) source vide 60 kV qq mRads 20 ns réflexion scellée 450 kV 18 mRads 35 ns réflexion scellée 5 600 kV 32 mRads 16 mRads 35 ns réflexion scellée entretenu 5 1.5 1 MV 50 mRads 20 ns transmission entretenu 2 Tache focale (mm) Radiographie Éclair Tube 450 kV EP8604 RX RX 4 têtes 480 600 kV juxtaposées Coudées Tube 600 kV EP8608 4 têtes 480 / 600 kV juxtaposées Sources espacées de 20 mm EUROPULSE Route de Gignac – 46600 Cressensac – 33 (0) 5 65 37 76 66 [email protected] EPI 10 EUROPULSE Radiographie Éclair 19 octobre 2006 RX Éclair Géné EP 25 GENERATEURS EUROPULSE 600 kV jitter ± 3 ns (∆t) 450 kV jitter ± 15 ns (∆t) 60 kV jitter ± 15 ns (∆t) 800 kV jitter ± 15 ns (∆t) EUROPULSE Route de Gignac – 46600 Cressensac – 33 (0) 5 65 37 76 66 [email protected] EUROPULSE z AIRIX (20 MeV) CEA DAM EPI 10 19 octobre 2006 RX Éclair Photo AIRIX 26 64 cellules accélératrices Dose : 350 rad @ 1 m Tache focale : 2 mm Injecteur 4 MV - 2 kA - 60 ns 32 HV générateurs 250 kV - 100 ns EUROPULSE Route de Gignac – 46600 Cressensac – 33 (0) 5 65 37 76 66 [email protected] EUROPULSE EPI 10 19 octobre 2006 CEP Principe 27 Stérilisation par Champ Électrique Pulsé Application à des liquides pompables Principe Agir sur la perméabilité de la membrane des cellules (Électroporation) Former des pores de manière irréversible (selon l’intensité du champ électrique) Destruction des cellules (pores irréversibles) Seuil d’apparition du phénomène d’électroporation : 0.8 V à 1 V soit 10 kV/cm pour r = 1µm EUROPULSE Route de Gignac – 46600 Cressensac – 33 (0) 5 65 37 76 66 [email protected] EPI 10 EUROPULSE 19 octobre 2006 CEP Principe b 28 Stérilisation par Champ Électrique Pulsé Disposer le liquide à traiter entre deux électrodes alimentées par un Générateur Haute tension Récurrent HT Relation Champ Électrique Tension électrode E = - grad V d d V = ∫ E ∗ dx liquide à traiter 0 Champ Électrique uniforme : V = E.d Exemple : d= 2 cm E= 20 kV/cm V= 40 kV Volume de 200 cm3 Surface électrodes=100 cm2 Résistivité du milieu à traiter (ρ)= 300 Ω.cm R=6Ω I = 6,6 kA énergie par impulsion de 1µs de large : 264 J énergie : 264 kJ à 1000 Hz !! EUROPULSE Route de Gignac – 46600 Cressensac – 33 (0) 5 65 37 76 66 [email protected] EUROPULSE EPI 10 19 octobre 2006 CEP Influence Paramètres 29 Stérilisation par Champ Électrique Pulsé Influence des paramètres sur l’efficacité du traitement Profil des impulsions : rectangulaire plus efficace qu’exponentiel Amplitude du champ électrique seuil critique d’efficacité 10.5 kV/cm (pseudomonas fluorescens) réduction de 4 unité Log pour 23 kV/cm Temps de traitement : nbre impulsions x largeur Fréquence de répétition (débit) EUROPULSE Route de Gignac – 46600 Cressensac – 33 (0) 5 65 37 76 66 [email protected] EPI 10 EUROPULSE 19 octobre 2006 CEP Synoptique 30 Stérilisation par Champ Électrique Pulsé Alim. H.T. 0 à +50 kV 1µs 500ns 2µs 250ns 3µs 100ns Eclateur répétitif 50ns Ligne de stockage ECHANGEUR Entrée Fluide caloporteur Liquide non traité Entrée Fluide caloporteur Liquide traité Sortie Fluide caloporteur Sortie Fluide caloporteur CELLULE POMPE Synoptique d’une installation Europulse EUROPULSE Route de Gignac – 46600 Cressensac – 33 (0) 5 65 37 76 66 [email protected] EUROPULSE EPI 10 19 octobre 2006 CEP Photo ENSAR 31 Stérilisation par Champ Électrique Pulsé Installation Europulse Amplitudes impulsions : 15 kV max, Fréquence : 815 Hz, P : 2 kW Largeur : 50 ns à 3 µs par pas, ton : < 10 ns Débit : 0.8 à 25 l/mn EUROPULSE Route de Gignac – 46600 Cressensac – 33 (0) 5 65 37 76 66 [email protected] EUROPULSE EPI 10 19 octobre 2006 UWB Principe 32 Radar Ultra Large Bande (ULB, UWB) Principe Émettre un champ électromagnétique impulsionnel ayant un contenu spectral élevé. Recevoir et analyser les ondes EM réfléchies afin d’identifier les sources réfléchissantes. Impulsionnel Discrétion, source difficilement détectable et localisable Contenu spectral Résolution spatiale élevée souhaitée : 10 cm résolution : R = C/2 B (1.5 GHz pour R=10 cm) Capacité de pénétration de différents matériaux et ouvertures Identification des cibles (informations sur détails, taille, forme) Fort pouvoir anti-discrétion EUROPULSE Route de Gignac – 46600 Cressensac – 33 (0) 5 65 37 76 66 [email protected] EPI 10 EUROPULSE 19 octobre 2006 Radar Ultra Large Bande (ULB, UWB) Antenne E Générateur Générateur V crête : 10 kV Ton : 80 ps T50 : 800 ps BALUN : 50/50 Ω 50/200 Ω BALUN obstacle Échantillonneur UWB Synoptique 33 Antenne R Synoptique d’une installation ULB Symétriseur, adaptateur d’impédance Antennes (Valentine) Bande passante : 300 MHz – 3 GHz S11 (avec BALUN) : < -10 dB Gain : 8 dB 400 MHz – 1 GHz 12 dB 1 GHz – 3 GHz EUROPULSE Route de Gignac – 46600 Cressensac – 33 (0) 5 65 37 76 66 [email protected] EPI 10 EUROPULSE Radar Ultra Large Bande (ULB, UWB) Photo Switch de synchronisation Jitter : 2 ps Source laser • Tension crête : 10700V UWB RUGBI 34 Démonstrateur RUGBI •Tension de polarisation : 16kV • Énergie optique : 1.2mJ 19 octobre 2006 • Temps de montée : 130ps • Durée des impulsions : 300ps Réseau d’antennes Valentine Fibres optiques • Largeur spectrale : 500MHz (-3dB), 3GHz (-20dB) Source haute Concept sources synchrones tension (Switchs optiques) Augmenter la directivité 16 kV HT 16 kV Augmenter la puissance Dépointage (réseau) Donneur d’ordres : DGA Switchs : CEA DAM Optique : XLIM / Photonique Mr Barthélémy Photo Switchs Oscilloscope TDS 6804 B BP : 7GHz D Atténuateurs EM : XLIM / OSA Brive Pr Jecko EUROPULSE Route de Gignac – 46600 Cressensac – 33 (0) 5 65 37 76 66 Antenne Libellule [email protected] EPI 10 EUROPULSE 19 octobre 2006 UWB Photos antennes 35 Radar Ultra Large Bande (ULB, UWB) Ciseaux Antennes Large Bande Europulse Valentine libellule EUROPULSE Route de Gignac – 46600 Cressensac – 33 (0) 5 65 37 76 66 [email protected] EUROPULSE EPI 10 19 octobre 2006 UWB Photos Générateur 36 Radar Ultra Large Bande (ULB, UWB) Générateur FID à diodes SRD conditionné Europulse Vcrête 12 kV ton : 80 ps t50 : 600 ps EUROPULSE EUROPULSE Balun 50/200 Ω 3 GHZ 800 V Té de mesure 12 kV 5 GHz ondulation ± 0.25 dB EUROPULSE Route de Gignac – 46600 Cressensac – 33 (0) 5 65 37 76 66 [email protected] EUROPULSE EPI 10 19 octobre 2006 Conclusion 37 Les unités HPP : kV-MV ; kA-MA ; ps – ms Importance de la définition adéquate des caractéristiques Répercussion sur la faisabilité et le coût Type de profil source d’énergie primaire (générateur récurrent) Principe de machine Les différents types de Stockage de l’Énergie Les Commutateurs Les Circuits Multiplicateurs Analogie Ctes Localisées et Réparties Influence de l’inductance sur le temps de montée du courant 1 application D 1 générateur spécifique EUROPULSE Route de Gignac – 46600 Cressensac – 33 (0) 5 65 37 76 66 [email protected] EUROPULSE EPI 10 19 octobre 2006 Photo Machine Zpinch38 Z EUROPULSE Route de Gignac – 46600 Cressensac – 33 (0) 5 65 37 76 66 [email protected] EUROPULSE EPI 10 19 octobre 2006 EUROPULSE Route de Gignac – 46600 Cressensac – 33 (0) 5 65 37 76 66 Caméléon Colorisé 39 [email protected]
