Contrôle du point de fonctionnement des décharges électriques par

N° d’ordre : 2288
THESE
présentée
pour obtenir
LE TITRE DE DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE
TOULOUSE
École doctorale : GEET
Spécialité : Génie électrique
Par M. SALANNE Jean-Philippe
Titre de la thèse « Contrôle du point de fonctionnement des décharges électriques
par l’intermédiaire de leur alimentation. »
Soutenue le 18/11/2005 devant le jury composé de :
M. ROJAT Gérard Président
MM. CORMIER Jean-Marie Rapporteur
FOCH Henri Invité
FULCHERI Laurent Membre
GABLE Gilles Membre
PIQUET Hubert Directeur de thèse
ZISSIS Georges Membre

Remerciements
Les travaux présentés dans ce mémoire ont été réalisés au sein du groupe "Système" du
Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique Industrielle (LEEI), unité mixte de
recherche CNRS-INPT nº5828.
Je tiens à remercier :
Monsieur G.ROJAT et Monsieur JM.CORMIER pour avoir accepté d’être rapporteurs de
cette thèse.
Monsieur L.FULCHERI pour nous avoir donné l’opportunité de tester nos alimentations
sur un dispositif de décharge réel, et pour avoir accepté de participer à l’évaluation de ces
travaux.
Monsieur G.ZISSIS pour les discussions que nous avons partagées sur une problématique
commune aux plasmas et au génie électrique.
Monsieur G.GABLE pour avoir accepté de faire partie du jury.
Je tiens aussi à exprimer route ma reconnaissance à Monsieur H. PIQUET pour la
confiance qu'il m'a accordée en acceptant de m'encadrer durant ces trois ans. Pour sa présence
et son aide efficace, particulièrement lors de la rédaction du mémoire.
Je remercie également Monsieur H. FOCH pour sa disponibilité, son aide précieuse et ses
remarques toujours judicieuses.
Je remercie aussi Monsieur Y.CHERON, directeur du LEEI, pour avoir accepté de me
recevoir au sein de son laboratoire, ainsi que Monsieur X.ROBOAM, responsable du groupe
"Système", pour son accueil au sein du groupe.

Je voudrais aussi remercier Sophie, ma femme, pour le soutien inconditionnel qu’elle
m’apporte chaque jour.
Je ne voudrais pas oublier mes collègues de bureaux qui m’ont supporté lorsque je coulais
sous mon ordinateur lors de la mise au point des simulations. Ainsi que ceux de salle de
manipulation qui ont réussi à survivre aux nuisances acoustiques sur toute la gamme de
fréquence atteignable par les convertisseurs que j’ai testés.
Par ailleurs, je ne saurais oublier dans mes remerciements les enseignants, les chercheurs et
les personnels techniques et administratifs du LEEI et du groupe "Système".

Sommaire
Table des matières
Introduction générale...........................................................................................................1
Chapitre I : Présentation des décharges..............................................................................7
1) Un peu d’histoire.................................................................................................................. 7
a) Décharge électrique et plasma dans la nature.................................................................................. 7
b) Les premières expériences : ............................................................................................................ 9
2) Type de décharges.............................................................................................................. 11
a) Décharges pointe-pointe................................................................................................................ 11
b) Décharges pointe-plan................................................................................................................... 12
c) Décharges plan-plan...................................................................................................................... 14
3) Applications industrielles.................................................................................................. 14
a) Dépollution, traitements des déchets............................................................................................. 14
b) Métallurgie.................................................................................................................................... 16
c) Catalyse de réactions chimiques.................................................................................................... 17
d) Dépôts et gravure .......................................................................................................................... 18
e) Lumière......................................................................................................................................... 19
4) Alimentations fréquemment utilisées............................................................................... 19
a) Source de courant.......................................................................................................................... 20
b) Source de tension .......................................................................................................................... 21
5) But recherché ..................................................................................................................... 21
Chapitre II : Couplage entre la décharge et l’alimentation - modélisation.....................25
1) Caractéristique et couplage............................................................................................... 25
a) Couplage entre l’alimentation et la décharge................................................................................ 25
b) Conclusion sur les couplages ........................................................................................................ 32
c) Caractéristique tension/courant du gaz..........................................................................................33
2) Phénomènes physiques et formulations mathématiques................................................ 35
a) Grandeurs physiques considérées.................................................................................................. 35
b) Phénomènes électriques de base de la décharge............................................................................ 39
c) Influences des caractéristiques du réacteur sur le comportement électrique de la décharge......... 46
d) Conclusion sur les caractéristiques électriques d’un dispositif ..................................................... 48
e) Modélisation générale................................................................................................................... 49
3) Modèle filamentaire........................................................................................................... 56
a) Modèle circuit de la décharge ....................................................................................................... 56
b) Comparaison des modèles en régime statique............................................................................... 67
c) Comparaison des modèle en régime dynamique........................................................................... 69
4) Modèle discrétisé................................................................................................................ 72
a) Discrétisation................................................................................................................................. 72
b) Exemple d’application pour une décharge mono filamentaire...................................................... 79
c) Simplification du modèle discrétisé et application à une décharge glissante................................ 82
5) Conclusion .......................................................................................................................... 91
Chapitre III : Identification numérique des paramètres d’un modèle.............................95
1) Objectifs recherchés........................................................................................................... 95