Rapport final
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ou Université du Québec à Chicoutimi MODULE D’INGÉNIERIE Génie électrique 6GIN333 – Projet de conception en ingénierie Rapport d’étape #Projet : 2011-275 Transformateur Tesla 10000 Volts Préparé par Dave Rousseau Pour ISSOUF FOFANA UQAC 12 décembre 2011 CONSEILLER : Danny Ouellet, Ing COORDONNATEUR : Jacques Paradis, Ing Approbation du plan de cours pour diffusion Nom du conseiller Danny Ouellet Date 2 décembre 2011 Signature ___________________________________ Dave Rousseau Projet de conception : Page 2 Remerciements J’aimerais d’abord remercier mon promoteur Issouf Fofana pour son appui tout au long de mon projet de conception. J’adresse un merci spécial à M Dany Ouellet pour m’avoir aidé tout le long du projet. Il m’a permis de bien comprendre l’envergure du projet et des dangers qui s’y rattachent. De plus, je voudrais remercier M. Richard Martin ainsi que M. Denis Tremblay et M. Francis Deschenes pour leur appui technique. Finalement, je tiens à remercier M. Jacques Paradis pour avoir assuré la bonne coordination de mon projet. Dave Rousseau Projet de conception : Page 3 M. Nicolas Tesla a cherché une solution pour transporter l’énergie électrique à l’aide d’une bobine Tesla. Bien que son principe ne fût pas un succès, il a inventé un appareil des plus incroyables. En effet, le transformateur Tesla est connu de nos jours pour la beauté des arcs électriques qui jaillissent, mais aussi pour des essais de simulation de foudre dans les laboratoires de recherche. Dans le cadre du projet de conception, il fallait développer ce type de transformateur avec une tension crête au primaire de 10 000 Volts. Ce type de dispositif est très dangereux dû à sa puissance de sortie (environ 1kVA). Il faut donc prendre toutes les précautions nécessaires avant de mettre en fonction ce transformateur. Les objectifs sont de : Résumé du travail réalisé Concevoir une bobine Tesla de 10 000 Volts Construire cet appareil Trouver une solution pour faire l’acquisition de la tension de du courant Tout d’abord, des recherches bibliographiques ont été effectuées sur le sujet afin de déterminer les composantes d’un transformateur Tesla. Par la suite, il fallait réfléchir à l’aspect de la sécurité. Puis, des calculs théoriques ont permis de dimensionner les composantes utilisées au niveau du prototype. Un outil graphique a été utilisé pour voir les courbes de tension et les formes d’onde au primaire et au secondaire. De ce fait, il a été possible de faire la conception sur papier du prototype. Finalement, il fallait construire le transformateur Tesla afin de pouvoir effectuer des tests et voir jaillir les arcs électriques. Résumé des conclusions Résumé de la problématique + Objectif Résumé À première vue, les simulations qui ont été faites sur la fréquence de résonnance permettaient d’appréhender des résultats concluants. La construction du transformateur a été effectuée et il a été testé dans les laboratoires d’Isolime. Les résultats obtenus sont fidèles à ceux espérés par la simulation graphique illustrée dans le rapport final. Ce projet a démontré qu’il est possible de concevoir ce type de transformateur en effectuant préalablement des calculs. Dave Rousseau Projet de conception : Page 4 Table des matières Résumé .......................................................................................................................................... 4 Table des figures............................................................................................................................ 7 1.0 Introduction ......................................................................................................................... 8 1.1 2.0 Contexte .................................................................................................................... 9 Présentation du projet ....................................................................................................... 10 2.1 Description de l’équipe de travail ................................................................................ 10 2.2 Problématique et état de l’art reliés au projet ....................................................... 10 2.3 Objectifs généraux et spécification du projet ......................................................... 11 2.31 Objectifs généraux ..................................................................................... 11 2.32 Objectifs spécifiques .................................................................................. 12 3.0 Aspects techniques et éléments de conception relatifs au projet ........................................ 12 3.1 Brève description du transformateur........................................................................... 12 3.1 Réalisation de la bobine secondaire............................................................................. 15 3.2 Réalisation du tore ....................................................................................................... 18 3.3 Calcul relatif à la partie secondaire .............................................................................. 20 3.4 Réalisation du banc de condensateur .......................................................................... 26 3.5Réalisation de l’éclateur rotatif ..................................................................................... 28 3.6 Réalisation du bobinage primaire ................................................................................ 29 3.7 Réalisation de la charpente du transformateur ........................................................... 32 3.8 Transformateur haute tension (NST) ........................................................................... 32 Dave Rousseau Projet de conception : Page 5 3.9 Protection et sécurité du transformateur Tesla ........................................................... 33 3.10 Test de la fréquence de résonance ............................................................................ 34 3.11 Acquisition des ondes................................................................................................. 36 4.0 Bilan des activités .................................................................................................................. 36 4.1 Arrimage formation pratique/universitaire ................................................................. 36 4.2 Travail d’équipe ............................................................................................................ 37 4.3 Respect de l’échéancier................................................................................................ 37 4.4 Analyse et discussion.................................................................................................... 39 5.0. Conclusion et recommandation ........................................................................................... 40 Annexe-A Recherche bibliographique...................................................................................... 41 Annexe-B ..................................................................................................................................... 42 Dave Rousseau Projet de conception : Page 6 Table des figures Figure 1 Exemple de transformateur de Tesla .............................................................................. 8 Figure 2 Circuit de la bobine tesla ............................................................................................... 11 Figure 3 Circuit initiale................................................................................................................. 13 Figure 4 Chargement des condensateurs.................................................................................... 13 Figure 5 Déchargement des condensateurs et éclateur rotatif en court-circuit ........................ 14 Figure 6 Création d'arc électrique au secondaire ....................................................................... 14 Figure 7 Résonance en quart d'onde........................................................................................... 15 Figure 8 Bobine secondaire ......................................................................................................... 16 Figure 9 Tore métallique ............................................................................................................. 19 Figure 10 Tore métallique final ................................................................................................... 20 Figure 11 Graphique de Q' en fonction de Fr [4]......................................................................... 23 Figure 12 Programme de simulation selon le calibre du fil [4] ................................................... 25 Figure 13 Oscillation du courant au primaire .............................................................................. 26 Figure 14 Banc de condensateur ................................................................................................. 27 Figure 15 Éclateur rotatif et éclateur de sécurité ....................................................................... 28 Figure 16 Type de bobinage primaire ......................................................................................... 30 Figure 17 Forme de l'inductance ................................................................................................. 30 Figure 18 Charpente de la bobine Tesla ...................................................................................... 32 Figure 19 Transformateur élévateur de tension et la varistance ................................................ 33 Figure 20 Fréquence de résonance expérimentale de la partie secondaire ............................... 34 Figure 21 Résultat de la partie primaire ...................................................................................... 35 Figure 22 Sonde de courant et sonde de haute tension ............................................................. 36 Figure 23 Mise à jour du diagramme de Gantt ........................................................................... 38 Figure 24 Test à effectuer............................................................................................................ 42 Dave Rousseau Projet de conception : Page 7 1.0 Introduction M. Nicolas Tesla était un ingénieur et un inventeur chevronné. Il est considéré comme l’un des plus grands scientifiques de dans le domaine de la technologie. Il est le détenteur de plus de 700 brevets. Il lui doit plusieurs inventions telles que le moteur électrique asynchrone et ainsi que le principe du radar. Il s’est aussi intéressé à la haute fréquence et c’est à partir de ses travaux qu’il a inventé le transformateur de Tesla. Figure 1 Exemple de transformateur de Tesla1 Voici une petite analogie qui permet de comparer le principe électrique au principe mécanique. Lorsqu’une balançoire est poussée avec des impulsions faibles, mais à intervalles réguliers (à sa fréquence d’oscillation), il est possible de voir une augmentation de l’amplitude du mouvement. Elle va donc de plus en plus haut sans toutefois changer sa fréquence d’oscillation. Ici, dans le cas de la bobine de Tesla, les impulsions créées par l’homme sont remplacées par des impulsions électriques. Il existe trois ordres de grandeur pour ce qui est ce type de bobine. 1 Petite bobine : 100 à 1000 kW avec limitation de courant Moyenne bobine: 1 à 5 kW sans limitation de courant Grosse bobine: 5 kW et plus sans limitation de courant http://www.flickr.com/photos/tesla1000/98272227/ Dave Rousseau Projet de conception : Page 8 1.1 Contexte Au début des années 1900, M. Nicolas Tesla cherchait une solution pour transporter l’énergie électrique sans toutefois utiliser des câbles électriques. C’est avec un transformateur à air sec qui avait une bobine primaire et une bobine secondaire qu’il a réussi l’impossible. En effet, lorsque les bobines sont réglées sur la résonance en quart d’onde (voir figure 7), cela permet de convertir à de hautes fréquences un courant élevé avec une tension relativement faible, en courant faible avec une haute tension. M. Fofana, un enseignant à l’Université du Québec à Chicoutimi m’a proposé de concevoir une bobine de Tesla. De nos jours, ce type de bobine est souvent utilisé pour effectuer des effets spéciaux dans plusieurs films. Elle est aussi utilisée dans les voitures pour permettre de produire les étincelles aux bougies qui déclenchent l’explosion du mélange du carburant. Voici les étapes de la conception d’un résonateur Tesla qui seront décrites dans ce rapport. Il s’agit d’une suite d’étape préalable les unes aux autres qui permettre d’assembler le tout. Tout d’abord, il faut fixer une fréquence de résonance afin de pouvoir déterminer la longueur d’un quart d’onde. À partir de ce moment, il est possible de dimensionner la bobine secondaire. Ensuite, il y a un condensateur mis en série au bout de ce bobinage qui permet d’atteindre la bonne fréquence de résonance et c’est de celui-ci que les arcs électriques jaillissent. Puis, la conception de l’éclateur rotatif permet de dimensionner la batterie de condensateur. Finalement, la bobine primaire peut être calculée afin d’atteindre la fréquence de résonance. Ce rapport fait aussi mention des tests effectués pour afficher la fréquence sur un oscilloscope. Des essais effectués dans le laboratoire d’Isolime et des résultats obtenus. Il est question aussi de l’aspect de sécurité du montage. Dave Rousseau Projet de conception : Page 9 2.0 Présentation du projet 2.1 Description de l’équipe de travail Ce projet de conception était composé d’un seul membre, c’est-à-dire M. Dave Rousseau. Il étudie en génie électrique et il a complété sa quatrième année. Ayant effectué deux stages chez Rio Tinto, Dave a acquis une expérience dans le milieu de l’ingénierie qui lui a beaucoup aidé dans la résolution et l’approche du problème. Il a aussi suivi les cours de l’ingénierie de haute tension qui était un atout important pour la réalisation de son projet. M. Dany Ouellet agissait à titre de conseiller et d’orienteur pour mener le projet a terme. Il a beaucoup aidé dans la réalisation d’un bon rapport. Le promoteur, M. Issouf Fofana, est le promoteur du projet. Ces connaissances dans le domaine de la haute tension ont été grandement utiles dans l’approche scientifique à adopté sur un tel projet. Par ailleurs, certaines personnes ressources ont aidé dans l’avancement du projet en cas de problèmes rencontres. M. Richard Martin était la personne qui a aidé à assembler le tous. 2.2 Problématique et état de l’art reliés au projet Le principe de la bobine Tesla est la résonance entre le primaire et le secondaire. Même si cette résonance peut être aisément atteinte, un fonctionnement parfaitement synergique de toutes les composantes reste difficile. Plusieurs bricoleurs se lancent dans la fabrication de ce type de transformateur. Malheureusement, ils ne savent pas nécessairement comment fonctionne une telle bobine. Il faut préalablement faire plusieurs calculs avant de se commencer la conception. Un concepteur qui réussit à obtenir la résonnance en quart d’onde parfaite pourra voir jaillir les arcs électriques d’une longueur équivalente ou supérieure à la hauteur du bobinage secondaire. L'art de la construction de ces installations implique des progrès Dave Rousseau Projet de conception : Page 10 en paliers, en serrant de mieux en mieux l'harmonie des composantes et des conditions des expériences. Figure 2 Circuit de la bobine tesla2 Afin de bien cerner un tel projet, il faut effectuer une revue littéraire pour bien assimiler la bobine Tesla. La lecture de plusieurs sites internet a permis de comprendre les notions de base. Cependant, un ouvrage littéraire beaucoup plus développer a été utilisé pour bien assimiler le design du transformateur. Pour voir la liste de la recherche bibliographique, il faut voir l’annexe A. 2.3 Objectifs généraux et spécification du projet 2.31 Objectifs généraux Il s'agit de faire la conception et le dimensionnement d'un transformateur de Tesla de 10000 Volts. Tout au long de ce projet, il faut faire les calculs préliminaires de conception de cet appareil. Il devra aussi contenir toutes les sécurités nécessaires afin de pouvoir le tester. Ensuite, le prototype devra être construit et il faudra trouver une solution pour afficher la forme de l'onde sur l'ordinateur via le logiciel d'acquisition Labview. La protection de l'ordinateur est aussi à prévoir. Un nouvel objectif s’est rajouté au cours de la préparation à la conception. 2 http://tesla.nicoinn.be/site/eucys_fr.pdf Dave Rousseau Projet de conception : Page 11 2.32 Objectifs spécifiques Tous les objectifs initiaux sont poursuivis. Cependant, il y a eu une modification au sujet de l’acquisition de la tension et du courant avec le logiciel labview. Puisque le résonateur fonctionne à haute tension, il n’est pas possible d’utiliser ce logiciel. Il fallait donc trouver une nouvelle façon de faire l’acquisition. Faire le dimensionnement des composantes du transformateur. S’assurer que ce transformateur contient toutes les protections nécessaires pour être sécuritaires. Avoir une tension de sortie primaire de 10000 Volts. Déterminer une méthode pour faire l’acquisition de la tension et du courant. 3.0 Aspects techniques et éléments de conception relatifs au projet 3.1 Brève description du transformateur Tout d’abord, avant de pouvoir commencer toute conception, il faut connaitre le fonctionnement de la bobine de Tesla. Dans la plupart ces appareils, il y a un transformateur de haute tension (1KV à 15KV) de type NST (Neon Sign Transformer) qui augmente grandement la tension dans la bobine primaire. L’avantage des NST est sa limitation de l’intensité (quelque 100 mA). Le NST charge la batterie de condensateur au primaire jusqu’à sa capacité maximale (environ 10000 V). Une fois chargée, c’est l’éclateur rotatif mis en parallèle permet de créer un court-circuit. Alors, le condensateur qui agit comme un réservoir d’énergie se décharge dans la bobine primaire. Le circuit entre en résonance et cela induit un champ dans la bobine secondaire. La fréquence de résonance du primaire doit être égale à celle du secondaire pour optimiser la tension de sortie. Lorsque l’oscillation s’effectuer, des arcs électriques jaillissent du condensateur fixer au bout de la bobine secondaire. Une fois que l’électrode rotatif coupe le court-circuit, le circuit se recharge et ainsi de suite. Les quatre prochaines images résument bien le fonctionnement. Dave Rousseau Projet de conception : Page 12 Figure 3 Circuit initiale Figure 4 Chargement des condensateurs Dave Rousseau Projet de conception : Page 13 Figure 5 Déchargement des condensateurs et éclateur rotatif en court-circuit Figure 6 Création d'arc électrique au secondaire Maintenant que le principe de ce transformateur est clair, il est maintenant possible de déterminer la liste des composantes qui englobe le projet de conception. Transformateur haute tension (NST) Réalisation du bobinage secondaire Réalisation du tore métallique Réalisation de l’éclateur rotatif Dave Rousseau Projet de conception : Page 14 Réalisation du banc de condensateur Réalisation du bobinage primaire Réalisation de la charpente du transformateur Aspect sécurité Test de la fréquence de résonance au primaire et secondaire 3.1 Réalisation de la bobine secondaire Avant de commencer la conception de la bobine secondaire, il faut définir le principe de l’antenne quart d’onde. Une analogie avec la mécanique peut-être faire pour comprend le principe de la résonance. En effet, en mécanique il suffit de l'illustrer de la façon suivante : tout le monde a déjà poussé une balançoire, et chacun a pu constater que si l'on donne des impulsions faibles à intervalles réguliers (fréquence d'oscillation de la balançoire), il en résulte un accroissement de l'amplitude du mouvement de notre balançoire. Elle va de plus en plus haut, mais sa fréquence d'oscillation reste la même. C’est la même chose pour le principe de quart d’onde. La figure ici-bas monte une onde sinusoïdale qui permet de visualiser la forme de celle-ci. Figure 7 Résonance en quart d'onde Avec la figure ci-haut, il est possible de voir que la valeur maximum se produit lorsque la période est au quart. C’est à partir de cela que la bobine Tesla produit le plus grand arc électrique. Pour ce qui est de la conception de la bobine secondaire, il faut avoir un noyau d’air. L’utilisation de ce noyau d’air est là pour isoler le primaire du secondaire. Il y a Dave Rousseau Projet de conception : Page 15 donc moins de chance d’avoir du claquage. Il faut donc utiliser un tuyau de PVC d’un certain diamètre et d’une certaine hauteur. Il est primordial de ne pas dépasser le facteur 5 entre les deux. En effet, la hauteur du tuyau doit être 5 fois la mesure du diamètre. Pour ce qui est de mon cas, la hauteur sera de 18 pouces avec un diamètre de 4,25 pouces. Le bobinage du secondaire sera fait avec un fil émaillé de diamètre 0,325 mm de grosseur 28AWG. Une fois le bobinage réalisé, il faut protéger le filage avec 2 ou 3 couches de vernis. Cela permet de diminuer les risques de claquage entre le primaire et le secondaire qui peuvent survenir au cours du fonctionnement de la bobine. Figure 8 Bobine secondaire Dans chacune des extrémités du tuyau PVC, il faut coller une bande métallique afin de pouvoir faire les connexions futures. Cependant, il ne faut pas faire un tour complet afin de ne pas faire une spire en court-circuit. L’électrode métallique discutée ici-bas sera fixée à l’une des extrémités de la bobine. Maintenant que la résonance est comprise, c’est cette caractéristique de la bobine secondaire qui détermine la fréquence de résonance du transformateur de tesla et la fréquence d’oscillation de la bobine primaire. Cependant, il faut évaluer cette fréquence avant de commencer le projet. Si cette fréquence de résonance est fixée ainsi que le diamètre de la bobine secondaire, les paramètres peuvent être Dave Rousseau Projet de conception : Page 16 calculés. La bobine secondaire qui entre en résonance agit exactement comme une antenne quart d’onde. Voici la formule à utiliser.*4+ Où λ/4 est la longueur en quart d’onde c est la vitesse de la lumière 300 000 000 m/s f0 est la fréquence de résonance 175kHz Le choix de la fréquence de 175 kHz est dû au facteur économique du projet. En effet, plus la fréquence est petite, plus il faudra du fil émaillé pour construire la bobine. Étant donné un budget restreint, le choix de cette fréquence a été pris en considération. Maintenant, il est possible de déterminer la longueur du fil émaillé par tour sur la bobine secondaire. Où L/T est la longueur par tour de fil émaillé en cm D est le diamètre de la bobine secondaire (4,25’’) d est le diamètre du fil émaillé qui se trouve avec l’équation ici-bas Dave Rousseau Projet de conception : Page 17 Avec les deux dernières valeurs calculées dans la section 3.1, le nombre de tour et la hauteur de la bobine peuvent être trouvés à partir des équations suivantes : Où H est la hauteur de la bobine en cm Δl est la distance entre les spires (facteur de sécurité) Maintenant que les dimensions physiques du bobinage secondaire sont connues, les caractéristiques électriques peuvent être déterminées. Premièrement, le calcul de l’inductance est trouvé grave à la formule de Wheeler. Ici, il faut faire attention. En effet, l’équation utilise les pouces et non les mètres. Où Ls est la valeur de la bobine secondaire en μH A est le rayon du tuyau de PVC en pouce N est le nombre de tour de bobinage H est la hauteur de la bobine en pouce Tout le bobinage a été réalisé à la main. Il aura fallu 4 heures afin d’avoir le résultat illustré sur la figure 7. 3.2 Réalisation du tore La prochaine étape pour la conception du générateur de Tesla est le dimensionnement du condensateur secondaire. Ce condensateur est celui qui permet aux arcs électriques de s’échapper de l’extrémité de la partie secondaire. Il est construit d’un tuyau de ventilateur en aluminium. Le diamètre (d2) du tuyau est de 4 pouces et son diamètre (d1) extérieur est de 16 pouces. Il est collé sur une plaque de bois pour Dave Rousseau Projet de conception : Page 18 obtenir un support mécanique. C’est sur ce tore que le bout de la bobine est raccordé. Voici la façon de le calculer : Figure 9 Tore métallique Où C est la capacité du tore au secondaire CS est le diamètre d2 de la figure 9 Od est le diamètre d1 de la figure 9 Dave Rousseau Projet de conception : Page 19 Figure 10 Tore métallique final 3.3 Calcul relatif à la partie secondaire Voici la façon de déterminer les résistances en AC et en DC. Ce sont les résistances du bobinage secondaire. Où DCΩ est la résistance totale lorsque le circuit est en courant continu en ohm NS est le nombre de couches de bobinage λ/4 est la longueur de l’antenne quart d’onde en pied TA est la température ambiante Ω/ft est la résistance du fil par pied Voici la résistance lorsque le circuit est en courant alternatif. Elle n’est utile que pour l’effet de peau. Où ACΩ est la résistance totale lorsque le circuit est en courant alternatif en ohm d est le diamètre du fil émaillé en pouce Dave Rousseau Projet de conception : Page 20 La bobine crée un condensateur aussi. La valeur en picofarads se trouve de la façon suivante : Où Cs est la capacitance du bobinage secondaire Fo est la fréquence de résonance Ls est l’inductance de la bobine La vraie fréquence de résonance n’est pas 250Khz puisqu’il y a des pertes ainsi que des résistances parasitent dans le circuit. Il faut aussi tenir compte de la capacité terminale qui s’estime à 21,7 pF. La dernière résistance sera utilisée pour déterminer l’effet de peau. Cet effet est en lien avec la fréquence de résonance. Voici la profondeur de la pénétration du courant de celle-ci : Où Dδ est la profondeur de pénétration du courant Fo est la fréquence de résonance Dave Rousseau Projet de conception : Page 21 Le prochain calcul contient le facteur du cuivre par rapport au nombre de couches. Où FL est le facteur multiplicatif pour le ratio Q’ D est le diamètre du fil émaillé en pouce N est le nombre de tour NS est le nombre de couches de cuivre le est la hauteur de la bobine secondaire en pouce Afin de pouvoir trouver la résistance totale du circuit, il faut savoir le ratio suivant. Où Q’ est le ratio qui associe le diamètre du fil à l’effet de proximité d le diamètre du fil du fil émaillé FL est le facteur multiplicatif Dδ est l’effet de proximité De tous les sous équations, il est temps de déterminer la résistance totale du circuit secondaire. Pour savoir la valeur de Fr, il faut regarder dans le graphique suivant : Dave Rousseau Projet de conception : Page 22 Figure 11 Graphique de Q' en fonction de Fr [4] Où Rt est la résistance totale du circuit du à la résistance DC, l’effet de peau et l’effet de proximité Fr est la valeur de Rac/Rdc trouvé à partir du graphique et du Q’ Rdc est la résistance en courant continu La dernière valeur importante est le facteur de qualité du bobinage secondaire. Elle se trouve de la façon suivante : Si ce facteur de qualité se rapproche de l’infini, l’oscillation aura lieu indéfiniment. Il faut donc qu’il y ait un effet d’amortissement pour que le circuit se décharge en oscillation. Cet amortissement se calcul de la façon suivante: Dave Rousseau Projet de conception : Page 23 L’impédance du circuit secondaire peut être trouvée puisque toutes les impédances sont connues. Maintenant, il faut déterminer la puissance au primaire ainsi que la tension qui devrait être lu par la sonde. Où Vs est la tension secondaire Vp est la tension primaire Zp est l’impédance primaire Zs est l’impédance secondaire Dave Rousseau Projet de conception : Page 24 CHART 1: Voltage du secondaire selon la grosseur du câble utilisé 100 000 10 000 Tension de sortie secondaire 1 000 101,0 KV 100 10 1 10 15 20 25 30 35 40 45 0 AWG Figure 12 Programme de simulation selon le calibre du fil [4] Avec la tension de sortie, il est possible de prévoir la longueur des arcs électriques. En effet, dans l’air, le tension de claquage est d’environ 30 kV/cm. Dave Rousseau Projet de conception : Page 25 Voici le graphique de la simulation de l’oscillation. Oscillation au primaire 0 100 Temps en micro secondes 200 300 400 500 80,0 20 000 60,0 Voltage au primaire 15 000 Courant au primaire en ampère 25 000 40,0 10 000 20,0 5 000 0 0,0 -5 000 -20,0 -10 000 -40,0 -15 000 -20 000 -60,0 -25 000 -80,0 Figure 13 Oscillation du courant au primaire 3.4 Réalisation du banc de condensateur Pour ce qui est de la conception du banc de condensateur, il a été déterminé en fonction du matériel que l’UQAC dispose. En effet, il est plus facile d’adapter l’éclateur rotatif que d’acheter des condensateurs haute tension au prix de 30 ou 40$. Il y a deux formules importantes, qui faut retenir au sujet du montage en série ou en parallèle. Parallèle: Dave Rousseau Projet de conception : Page 26 Série: Les condensateurs haute tension, qui étaient à la disposition, étaient des 1200 Volts 1μF. Il faut donc 9 condensateurs séries afin d’avoir la bonne tension. Le facteur de sécurité se détermine comme suit : Ce 8 % de facteur de sécurité étant donné que la tension de 10kV est de crête. En plus, ce son des condensateurs capable de prendre des surtensions de 150% la valeur nominale. Ensuite, il faut déterminer la valeur du banc de condensateur. Figure 14 Banc de condensateur Dave Rousseau Projet de conception : Page 27 Il faut vérifier la puissance dissipée par le condensateur afin de voir s’ils vont chauffer. Cependant, avec la limitation du courant, il ne devrait pas avoir de problème. Où Irms est le courant nominal du transformateur ESR est la résistance du condensateur (voir référence 12) Pd est la puissance dissipée 3.5Réalisation de l’éclateur rotatif L’éclateur rotatif est l’une des composantes les plus importantes parce qu’elle permet aux condensateurs et à la bobine de rentrer en oscillation. Il est composé d’un moteur et d’une roue munie de six électrodes en acier. Ces électrodes ont été en pointe afin de faciliter le court-circuit. Pour ce qui est de la roue, elle est faite d’un moyeu en acier qui permet de le fixer sur l’arbre du moteur. Afin d’empêcher la mise à la terre du moteur, une deuxième partie en plexiglas est assemblée avec le moyeu métallique. Cela permet d’isoler le moteur des électrodes. Le diamètre du centre de l’arbre aux électrodes est de 3 pouces. Figure 15 Éclateur rotatif et éclateur de sécurité Dave Rousseau Projet de conception : Page 28 Un moteur DC a été utilisé pour faire tourner la roue. C’est la vitesse de rotation qui permet de contrôler la décharge du banc de condensateur. Comme ce banc est déjà fixé, voici la méthode pour déterminer la vitesse de rotation du moteur : Où Vr est la vitesse de rotation C est la circonférence RPM est la vitesse de rotation du moteur Cp est le banc de condensateur Afin de pouvoir régler la vitesse adéquatement, un tachymètre a été utilisé. Comme le moteur a une vitesse de rotation de 1750 RPM, il y avait un problème. La solution à apporter est un gradateur qui sert à contrôler l’intensité de la lumière. Avec cet appareil et l’appareil de mesure de la vitesse, l’ajustement a été fait à la vitesse préalablement calculée. 3.6 Réalisation du bobinage primaire Le bobinage primaire est très important dans la conception du résonateur de Tesla. Dans la plupart des cas, il ne compte pas plus d’une 50 de tour. Il est conçu avec un câble dénudé de son isolation. Plusieurs personnes utilisent un tuyau de cuivre avec un diamètre d’environ 6 mm. Dans le cadre de ce projet, un câble de grosseur AWG de 14 avec un diamètre de 1,628 mm. Sous un tout autre ordre d’idée, il faut aussi faire le choix de la configuration de câblage. Il existe trois façons de faire le bobinage du primaire. Voici les montages : Dave Rousseau Projet de conception : Page 29 Figure 16 Type de bobinage primaire Le type de bobinage ‘’Inverse Conicale Coil Inductance’’ sera celui utilisé. En effet, la grande majorité des concepteurs de bobine l’utilise. Elle sera construite avec un angle de 30 degrés. Figure 17 Forme de l'inductance Dave Rousseau Projet de conception : Page 30 Il existe une formule pour calculer le tout l’inductance. Où Lp est l’inductance de la bobine en microhenrys (μH) N est le nombre de tours A est le rayon moyen de la bobine en pouce W est la largeur de la bobine en pouce représente l’angle de montée en degré Avec les valeurs du condensateur et de l’inductance, il est possible de connaître la valeur de la résonnance au primaire. Dave Rousseau Projet de conception : Page 31 3.7 Réalisation de la charpente du transformateur Pour ce qui est de la conception de la charpente du transformateur, il a été construit avec du bois recycler. Il est seulement là pour le support mécanique. Voici une photo du transformateur. Figure 18 Charpente de la bobine Tesla 3.8 Transformateur haute tension (NST) L’utilisation d’un transformateur NST a été utilisée. En effet, il fallait augmenter la tension au primaire afin d’avoir une bonne tension de sortie au secondaire. Ce transformateur avec une puissance de 1 kW et il était limité en courant (60 mA). Cependant, ce transformateur avait une tension de sortie de 12kV. Il a donc fallu trouver une solution pour diminuer cette tension. Alors, le transformateur a été connecté avec une varistance. Cet appareil permet de limiter la tension de sortie. Elle est fabriquée avec une roulette ajustable avec une échelle en pourcentage. Une simple règle de trois permettait d’ajuster la tension de 10 kV crête maximum. Dave Rousseau Projet de conception : Page 32 Figure 19 Transformateur élévateur de tension et la varistance 3.9 Protection et sécurité du transformateur Tesla Afin de pouvoir bien tester la bobine Tesla, il faillait s’assurer de la sécurité du concept. La première chose qui a été installée est un rail par foudre. Ce rail est relié à la masse et il est là pour dévier les arcs électriques qui pourraient détruire les composantes du système. Ensuite, il y a un éclateur de secours qui est là pour protéger si jamais le moteur arrête de fonctionner. C’est cette partie qui va provoquer le claquage et éviter que les condensateurs brisent. Finalement, les tests ont été faits dans une cage de faraday. Il y avait un boulon sur le montage qui permettait de tout relier à la masse de la cage. Dave Rousseau Projet de conception : Page 33 3.10 Test de la fréquence de résonance Pour ce qui est de la bobine secondaire, un générateur de fréquence a été branché sur la partie secondaire. Ensuite, un pulse carré permettait de créer le même effet qu’on coup de marteau sur un morceau de fer. En effet, le pulse électrique crée de l’oscillation et il est possible de voir la fréquence sur l’oscilloscope. La fréquence calculée 175 kHz et la fréquence expérimentale 172,4 kHz étaient presque la même. Figure 20 Fréquence de résonance expérimentale de la partie secondaire Pourcentage d’erreur avec la conception : Dave Rousseau Projet de conception : Page 34 Ensuite, il fallait aussi tester la partie secondaire. Le générateur était encore connecté au circuit. Cependant, une antenne permettait l’acquisition de la fréquence de résonance. Lorsque le circuit entre en résonance, l’amplitude chute et c’est cette valeur qui est la bonne. La fréquence calculée kHz et la fréquence expérimentale 172,4 kHz étaient presque la même. Voir annexe B pour le schéma de branchement. Figure 21 Résultat de la partie primaire Pourcentage d’erreur de la fréquence de résonance au primaire : Dave Rousseau Projet de conception : Page 35 3.11 Acquisition des ondes L’un des objectifs du projet était de faire l’acquisition de la tension et du courant sur le logiciel Labview. Cependant, cela était impossible. Pour faire l’acquisition de la tension, il aurait fallu un diviseur de tension. L’inconvénient était que le courant est limité. Alors, la puissance qui est déjà faible se serait perdue dans le diviseur. Pour ce qui est du courant, il existe aussi un type de sonde qui fonctionne pour les courants de crête élevés. Elle se vend au coût de 1580$ [13] pour la sonde de courant et 2145$ pour la sonde haute tension. Figure 22 Sonde de courant et sonde de haute tension 4.0 Bilan des activités 4.1 Arrimage formation pratique/universitaire Au cours de ce projet de conception, les membres de l’équipe ont utilisé des connaissances acquises durant le long de son BAC. En effet, les connaissances de base acquises dans des cours tels qu’en électronique de puissance, en électrotechnique 1 et 2, en dynamique des systèmes 1 ont servi à une bonne compréhension. Ensuite, les cours de ligne et onde électrique, d’électromagnétisme et de l’ingénierie de haute tension permettaient de mieux comprendre les principes de fonctionnement du résonateur. Le cours d’introduction au projet d’ingénierie a aussi permis de mieux visualiser les étapes de conception d’un tel projet. Il y a aussi eu mes stages chez Rio Tinto qui m’a appris a bien gérer mon budget et de trouver des solutions de rechange qui permettre d’économiser. Dave Rousseau Projet de conception : Page 36 4.2 Travail d’équipe Dans la conception de ce projet, il n’y avait pas de travail d’équipe. En effet, M. Dave Rousseau était le seul concepteur. Il a réalisé tout l’assemblage seul. Cependant, il y a eu une collaboration avec M. Richard Martin afin d’avoir un point de vue technique sur certaines choses. 4.3 Respect de l’échéancier Le projet de conception en ingénierie s’est fait sur une seule session. Les tableaux suivants montrent l’échéancier ainsi que le diagramme de Gantt pour la session d’automne 2011. Nom % Début Description de la tâche T1 100% 08-29 Préparation du projet (définir le projet avec M. Fofana) T2 100% 09-03 T3 100% 09-09 Recherche bibliographique sur les composantes d’un transformateur de Tesla (bobine, condensateur alimentation, fréquence de résonnance, électrode, etc.) Recherche bibliographique les systèmes de protection d’un transformateur de Tesla T4 100% 09-12 T5 100% 10-07 T6 100% 10-28 T7 100% 11-22 Bobinage du transformateur de tesla (4 jours si c’est moi qui le bobine ou 1 à 2 semaines si c’est une compagnie spécialisée) Montage et amélioration du transformateur (comprends des expérimentations) T8 100% 11-21 Acquisition sur le logiciel Labview (modification pour déterminer une solution) T9 100% 12-05 Dernier correctif avant la présentation du transformateur Calculs préalables pour les composantes (bobine, condensateur alimentation, fréquence de résonnance, etc.) Recherche des pièces et estimation des coûts. Dave Rousseau Projet de conception : Page 37 Figure 23 Mise à jour du diagramme de Gantt Dave Rousseau Projet de conception : Page 38 La recherche bibliographique a été plus longue que prévu. Il a fallu remettre certaines tâches à plus tard afin d’être sure des composantes de la bobine. En effet, c’est un appareil qui est dispendieux à construire et le budget est seulement de 250 $. Quelques erreurs de conception ont retardé le projet de 2 ou 3 semaines. En effet, l’approche d’un éclateur de type thyristor était un mauvais choix. Puisque la tension est très élevée, il faut utiliser un thyristor de puissance capable de prendre de la haute tension. Cependant, ils sont dispendieux. Il y a aussi eu une erreur dans la conception de l’éclateur rotatif. Le premier modèle a été machiné était une roue en acier. Le problème était que cette roue est couplée avec l’arbre métallique du moteur. Cet éclateur rotatif devait être fait avec un isolant comme le plexiglas afin de ne pas créer un court-circuit avec le moteur. Un délai supplémentaire a retardé la conception de ma bobine secondaire. La compagnie où le fils émaillé a été commandé n’avait plus la grosseur de fil nécessaire. Alors, les calculs de conception ont dû être refaits avant de commander la bonne grosseur de fil émaillé. Pour ce qui est des tests à effectuer, ils ont été complétés dans les délais. 4.4 Analyse et discussion Le prototype a été développé avec succès. Il a donc été possible d’aller effectuer des tests dans la cage de faraday des nouveaux locaux d’Isolime. Les résultats ressemblaient grandement à ceux attendus dans les calculs préliminaires. En effet, à la fin de ces calculs, la tension de sortie au secondaire devait être d’environ 100 kV et créer des arcs électriques d’environ 2 à 3 pouces de long. Il y a aussi eu les tests qui ont déterminé les valeurs de la fréquence de résonance des circuits primaire et secondaire. Ceux-ci étaient pareils avec une erreur de 1,5% pour la partie secondaire et de 0,73% pour la partie primaire. Les arcs électriques qui devaient jaillir du tore métallique auraient dû être d’environ 1,5 à 2 pouces de long. Bien que les résultats soient concluants, quelque erreur de cheminement. En effet, la conception de l’éclateur a été plus longue que prévu. En effet, la première roue était complètement fabriquée en acier alors que les électrodes devaient être isolées. Les points forts du projet sont la ressemblasse en les calculs théoriques et ceux pratiques. Il y a aussi l’optimisation avait de minimiser les coûts de conception (137$ [annexe-C]. Le point faible est que le projet avait partie avec les mauvaises équations pour la conception. Il y avait une différence entre un transformateur à moyeu d’air et à moyeu métallique. Le retard a dû être rattrapé pendant la mi-session. Dave Rousseau Projet de conception : Page 39 5.0. Conclusion et recommandation Le projet de conception fût terminé pour la date butoir. Le prototype de la bobine Tesla a été construit au complet. Il y avait bel et bien une tension de 10 kV à la sortie du bobinage primaire. Le seul objectif qui n’a pas été complété avec succès est l’acquisition sur le logiciel Labview. En effet, cet objectif n’a pu être fait du aux contraintes monétaires. Cependant, une solution a été apportée au problème. La simple acquisition d’une sonde haute tension va permettre de mieux tester les prototypes. Ce projet a permis que surmonter les difficultés et de trouver les solutions idéales. La conception du transformateur s’est effectuée seule et cela a appris au concepteur que le travail d’équipe en ingénierie est préférable. Si dans le futur il y a une autre personne qui voudrait construire ce type de bobine Tesla, il serait préférable d’augmenter la puissance du transformateur élévateur de tension au primaire. En effet, la limitation du courant dans la partie primaire a réduit grandement les arcs électriques qui jaillissaient du tore métallique. Une autre chose qui devra changer est la conception de la charpente de bois du résonateur. Le bois était humide et il y avait de la colle aussi. Cela pouvait créer des courts-circuits et de la perte de puissance. Cette solution a été utilisée pour des raisons économiques. La meilleure solution serait de prendre du plexiglas qui matériau. Le plexiglas est un excellent isolateur et du coup, il n’y aurait aucune perte. Une autre recommandation, qui serait importante à faire, serait l’acquisition d’une sonde à haute tension qui prouverait hors de tout doute la fonctionnalité de la bobine. Cette sonde, dont le coût est d’environ 2000$, permet de visualiser la forme d’onde sur un oscilloscope. Finalement, la conception de l’éclateur devra être améliorée. L’effet de pointe qui devait se produire à chaque tour n’était pas parfait. Bien que les arcs jaillissaient pareil, il serait préférable d’avoir un court-circuit à chaque fois que les deux électrodes sont près les uns des autres. Le problème était que la roue a été machinée avec une petite déviation. Il faudrait donc faire fabrique la roue de l’éclateur avec une calibration afin qu’il y est claquage à chaque fois que les électrodes sont alignées. Dave Rousseau Projet de conception : Page 40 Annexe-A Recherche bibliographique 1. FOFANA, Issouf. Ingénierie de la haute tension 6mig930, Chicoutimi, DSA, 2011, 312 p. 2. WENTWORTH, M. Stuart, Applied electromagnetic early transmission lines approach, USA, John Wiley & Sons, 2007, 656 p. 3. OUHROUCHE, Mohand, Circuits électriques, méthodes d’analyse et applications, Chicoutimi, Presses internationales Polytechnique.340 p. 4. TILBURY, Mitch, The ultimate Tesla coil design and construction guide, USA, Mc Graw Hill.413 p. 5. ESKENAZI, David, PAULUS, Antoine, INNOCENTI, Nicolas,(Page consultée le 2 septembre 2011) la bobine Tesla artisanale [en ligne]. Adresse URL: http://tesla.nicoinn.be/site/eucys_fr.pdf. 6. HULL, Richard, (Page consultée le 5 septembre 2011), le transformateur de Tesla, [en ligne]. Adresse URL: http://knol.google.com/k/le-transformateur-detesla#. 7. François, Jérôme, (Page consultée le 8 septembre 2011), Résonateur Tesla France, [en ligne]. Adresse URL: http://www.teslacoil-france.net/. 8. MARTY, Loic, (Page consultée le 8 septembre 2011), le transformateur de Tesla, [en ligne]. Adresse URL: http://www.f5ubz.fr/tesla/tesla_II.htm. 9. WIKIPÉDIA, (Page consultée le 9 septembre 2011), Bobine Tesla, [en ligne]. Adresse URL: http://fr.wikipedia.org/wiki/Bobine_Tesla. 10. GORE, Jerry, (Page consultée le 19 septembre 2011) Javascript Tesla coil calculator page [en ligne]. Adresse URL: http://www.classictesla.com/java/calculat.html. 11. INCONNU, (Page consultée le 20 septembre 2011) formula page, [en ligne]. Adresse URL: http://teslacoils4christ.org/TCFormulas/TCFormulas.htm. 12. Digikey,http://www.cde.com/catalogs/940C.pdf 13. Valuetronics, https://www.valuetronics.com/detail/New-tektronix-a6302.cfm Dave Rousseau Projet de conception : Page 41 Annexe-B Figure 24 Test à effectuer Annexe-C Coût du projet Dave Rousseau Projet de conception : Page 42
