courant tension centaines

LABORATOIRE PLASMA
ET CONVERSION D’ENERGIE
UMR 5213
UNIVERSITE DE TOULOUSE
Alimentation des plasmas:
Arc
Nofel MERBAHI
LAPLACE – Bat. 3R2 – bureau 220
05 61 55 75 90
[email protected]‐tlse.fr
Les trois grandes catégories de plasma
Plasmas chauds (étoiles, plasma de fusion…). La température des ions et des
électrons est supérieure à 10 millions de degrés. Le gaz est complètement ionisé
(degré de ionisation égale à 1 donc équilibre thermodynamique).
Plasmas thermiques (arc électrique). Les électrons, les ions et les particules
neutres ont une température voisine de 10000 à 30000 degrés. Le degré de
ionisation est compris entre 10-4 et 10-2 d’où l’équilibre thermique.
Plasmas froids (décharges électriques dans les gaz) - Les électrons ont une
température élevée (entre 11600 K et 116000 K) mais les particules neutres (qui
sont 10000 fois plus lourde que les électrons) représentent la quasi-totalité de la
densité. Donc le degré de ionisation est inférieur à 10-5 de ce fait le plasma est en
équilibre thermique.
Description du phénomène
Principe
Colonne d’arc
Cathode
-
Zone d’espace
négatif



e-
T ≈ 3300°C
T ≈ 5800°C
T ≈ 2400°C
ie-
O
i+
e-
G
Tension
d’arc
e-
Anode
+
Zone d’espace
positif
Chute de tension
anodique
Chute de tension
dans l’arc
Chute de tension
cathodique
10-5 cm
10-2 cm
Légende :
i+ : ion positif
i- : ion négatif
e : électron
O : at. d’oxygène
G : at. de gaz
Ve = 100 m/s
Vi = 1 m/s
Description du phénomène
L’arc électrique dépend :
Différence de potentiel entre deux électrodes
L’émissivité du matériau
La forme de la cathode
Le potentiel ionisant des gaz
Description du phénomène
Conditions de stabilité de l’arc
Pour une stabilité de l’arc, l’émission électronique doit être favorisée
au maximum
• Tension d’amorçage suffisante associée à une chute de
tension cathodique importante
• Milieu gazeux adapté, favorisant la production d’ion positif
• Maintien de la cathode à haute température
• Intensité suffisante
• Emploi de corps émissifs ou ionisants dans l’enrobage
améliore la stabilité de l’arc
Caractéristiques électrique de l’arc
Le comportement électrique de l’arc dépend :
• Des électrodes : nature, forme, dimensions, distance
• De l’atmosphère dans laquelle l’arc jaillit
• Des conditions d’alimentation électrique
Dans le cas du soudage les seules variantes sont :
• Les conditions d’alimentation
• La distance
Ce qui revient à étudier la fonction
f (U,I,L)
Entre la tension, l’intensité et la longueur d’arc
Caractéristiques électrique de l’arc
1.Tension aux bornes
L’étude de la courbe montre
que pour une longueur d’arc
donnée la tension :
•
•
•
•
part d’un maximum
décroît rapidement
passe par un minimum
puis augmente
U
L1
L2
L3
Avec: L1<L2<L3
Si la longueur d’arc
augmente, la courbe se
déplace vers les tensions
croissantes
I
Vaporisation
du fer
Caractéristiques électrique de l’arc
U
Uo
M1
2. Point de fonctionnement
• Caractéristique de l’arc
•
U = f(L)
Caractéristique de la source :
Us
U = f(I)
Uo lim
Le point de fonctionnement M2 est
caractérisé par ses valeurs Us et Is
U = f(I)
source
Is
Point de
fonctionnement
Le fonctionnement stable de l’arc nécessite :
•
•
•
M2
Une longueur d’arc limite Llim
Une tension à vide suffisante Uolim
Une Intensité de court circuit modérée Icc
Icc
I
Caractéristiques électrique de l’arc
2. Point de fonctionnement
(suite)
Une caractéristique plongeante
de l’alimentation entraîne :
•
•
•
Un courant de court
circuit faible
Une tension à vide élevée
Une longueur d’arc limite
plus grand
U
Uo1
Uo2
Us
M
Donc de meilleures condition de
fonctionnement
Is
∆ I2
∆I1
Icc1
Icc2 I
3. Caractéristiques d’un poste
Pour une régulation de l’intensité en fonction de la longueur d’arc, un poste doit
comporter :
• Une caractéristique plongeante
favorise la stabilité de l’arc
• Une tension à vide, U0, suffisante
facilite l’amorçage
• Une Intensité court circuit modérée permet en cas de court circuit le
rétablissement de l’arc sans dommage
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)
Générateur de Haute Tension
- 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
Trois types de tensions conventionnelles :
• Tension alternative
• Tension continue
• Tension de choc
Tension alternative
Transformateur Haute Tension
Source de haute tension la plus répandue et la plus utilisée dans la pratique.
Ce sont des transformateurs de faible puissance (de quelques centaines de
VA à quelques kVA) dont l’objectif principal est de procurer une haute tension au
détriment du courant qui est de l’ordre du milliampère généralement.
Ces transformateurs qui sont destinés
principalement aux laboratoires d’essais, doivent avoir une très bonne isolation car ils
sont appelés à supporter les nombreux claquages qui surviennent lors des tests.
La forme de la HT délivrée par un transformateur HT est généralement différente de la
forme sinusoïdale, sans toutefois dépasser les tolérances permises.
Ces transformateurs possèdent généralement une borne de l’enroulement qui est reliée à
la terre.
Pour des tensions supérieures à 750 kV, le coût, le transport et l’encombrement deviennent
très gênants; On préfère alors recourir aux transformateurs montés en cascade.
Tension alternative
Circuit résonnant
Dans les essais réalisés en haute tension, quelques fois il se produit une explosion de
l’équipement testé, suite à l’apparition d’une forte surtension générée par résonance électrique.
Circuit électrique équivalent du transformateur et de l’isolant teste
Considérons un isolant de capacité C alimenté par une Haute Tension délivrée par un
transformateur .
r1 + jL1ω : impédance de l’enroulement primaire du transformateur
r2 + jL2ω : impédance de l’enroulement secondaire du transformateur
Lω : impédance shunt du transformateur, généralement négligée devant L1ω et L2ω .
C : charge capacitive d’impédanceC1ω .
Tension alternative
Si par hasard : ω( L1+ L2)≈ 1/C ω , une résonance accidentelle se produit, le courant
devient tellement grand que la surtension aux bornes de la charge atteint jusqu’à 20 à
50 la tension appliquée et peut provoquer une explosion de la charge.
Le phénomène de résonance est mis à profit pour produire de très hautes tensions ; une
impédance de réglage variable insérée en série avec la circuit du transformateur permet
de régler et d’augmenter la tension à des valeurs très grandes (jusqu’à 600 kV). Le
régulateur, alimenté par une source BT alternative, règle la tension en ajustant la
valeur totale de l’impédance réactive.
L’avantage spécifique est que la tension délivrée est pratiquement sinusoïdale et
qu’une compensation de l’énergie réactive s’en suit (résonance série).
Circuit résonnant
Générateur de Tension continue
Redresseur a simple alternance
C : capacité de lissage du redresseur + capacités parasites.
R : résistance du gaz
Générateur de Tension continue
Redresseur double alternance (pont de Graetz)
Contrairement au redresseur a simple alternance, l’alternance négative est également
redressée.
Il n’y a pas de très grande différence entre les montages redresseurs a simple et a
double alternance, en présence d’une capacité de lissage
Générateur de Tension continue
Doubleur de tension
Doubleur de Schenkel :
Pendant l’alternance négative le condensateur C1 se charge a la tension Vmax, a
l’alternance
suivante cette tension qui s’ajoute a la tension du transformateur donne une
tension aux bornes de C égale à 2 Vmax. La tension a vide obtenue a la sortie est
donc Uc = 2Vmax
Générateur de Tension continue
Redresseur en cascade
Appelée cascade de Greinacher ou de Cockcroft-walton, est constituée par une piles de
doubleurs de type Schenkel.
Comme chaque étage délivre une tension a vide égale a max 2V , la tension obtenue (a
vide) est Uc = 2nVmax.
avec n : nombre d’étages.
Générateur de Tension continue
Redresseur en cascade
Définition d’un système impulsionnel
La tension impulsionnelle (ou de choc) est une très haute tension unidirectionnelle,
appliquée pendant un temps très bref (min l’ordre de quelques Ps). C’est un courant ou
une tension qui croît rapidement jusqu’à une valeur crête, puis décroît jusqu’à zéro.
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)
Tension de choc
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)
Stockage capacitif
Comparaison Circuit R, L, C et Décharge de
ligne
Tout circuit est un enchevêtrement de lignes de transmission !!
Stockage Inductif
Principe : Faire parcourir une inductance par un courant
Forcer ce courant à traverser à un instant donné une impédance
Nécessite un commutateur à
ouverture brutale !!
à t = 0 Fermeture de S: I(t) tend vers V / Rs
à t = t1 Ouverture brutale de S: I(t1) traverse RL VRLcrête = RL . I(t1)
Stockage Inductif Circuit R, L, C
Principe : 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: Rl < 2 (L/C)1/2
à t = 0 Fermeture de S1
à t = t1 (Vc=0) Fermeture de S2
Principaux dispositifs de commutation
- 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
Eclateurs pressurisés, sous-vide
Thyratrons à hydrogène, ignitrons à mercure
Thyristors, IGBT, MOSFET, Diodes
Commutateurs à ouverture
Plasma Opening Switch, GTO
Thyristors, IGBT, MOSFET, SRD
Fusibles, armatures explosées
Principaux dispositifs de commutation
Générateurs d’impulsion à un étage
C1 : capacité de choc (réservoir d’énergie)
C2 : capacité de l’objet en essai ;
C1 = (10…20) C2
R1 : résistance de front d’onde (série) ;
R2 : resistance de queue d’onde (parallele) ;
Dispositifs Multiplicateur de Tension (Générateurs de Marx)
Le condensateur C1 se charge par l’intermédiaire d’un transformateur HT associé à une diode.
La résistance d’amortissement Ra empêche une charge trop rapide.
La constante de temps lors du processus de charge τ = Ra C1.
Lorsque la tension disruptive U0 de l’éclateur E est atteinte, C1 se décharge brusquement dans
C2 à travers la résistance de front R1. la résistance de queue d’onde R2 étant beaucoup plus grande
que R1, les capacités C1 et C2 vont se décharger ensuite plus lentement dans cette résistance R2.
Les résistances R1 et R2 servent à contrôler les constantes de temps respectivement de front
et de queue de l’onde. Ainsi, un temps de front bref requiert une charge rapide du condensateur
C2 ,et un temps de queue long nécessite une décharge plus lente ; ceci est réalisé en choisissant
une résistance R2 très grande par rapport à R1.
Quand R 2 ⟩⟩R 1 , au moment de l’amorçage de l’éclateur, toute la tension U est pratiquement
appliquée à R1 et C2 en série. La charge du condensateur C2 est d’autant plus rapide que le
produit R1C2 est petit.
Dispositifs Multiplicateur de Tension (Générateurs de Marx)
Dispositifs Multiplicateur de Tension (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.
Vc : tension de charge
Vd : tension de déclenchement
Vs : tension de sortie
n :nombre d'étages
R : impédance de charge
S : commutateur à fermeture
(éclateurs, thyristors)
C :capacité d'un étage
Rc : impédances assurant la charge des
capacités
Dispositifs Multiplicateur de Tension (Générateurs de Marx)
Des tensions continues plus élevées sont obtenues avec le générateur de Marx, c’est un
ensemble de générateurs de choc à un étage, montés en cascade. Les tensions obtenues
sont de l’ordre du MV (maximum réalisé env. 6 MV).
Dans une première phase, le sectionneur I fermé permet la charge en parallèle des n
condensateurs C à travers de grandes résistances de charge Rch ; l’alimentation étant
assurée par une source continue de tension U0 (comprise entre 50 et 200 kV).
Ensuite, dans une deuxième phase, le sectionneur est ouvert et l’amorçage de tous les
éclateurs Ei est commandé presque simultanément (la tension de claquage des éclateurs à
sphères étant ajustée légèrement au-dessus de U0); à ce moment précis les condensateurs C
se trouvent en série et constituent une source de tension égale à nU0.
Dispositifs Multiplicateur de Tension (Générateurs de Marx)
Schéma équivalent lors de la mise en série des capacités
Si R>2 (L/C)1/2
L : self équivalente
R/L : décrit le temps de montée
Ce : capacité équivalente ( C/n)
R.Ce : décrit la décroissance du signal
Exemple: Générateurs de Marx
GREC CEA DAM
Vcharge : 65 kV
Vsortie : 8 MV
t : 40 ns
Etude d’alimentation « Bobines de Tesla »
Le terme de « bobine de Tesla » apparaît dans un ensemble d’inventions dues à Nikola
Tesla (1856-1943) et destinées principalement à la production de champs électriques
intenses et de phénomènes spectaculaires associés.
Principe de fonctionnement
Le principe général repose sur la résonance d’un transformateur élévateur constitué de
deux bobines coaxiales sans noyau magnétique ; pour éviter l’amortissement qui causeraient
les pertes fer.
En substance, le très mauvais couplage dû à l’absence de circuit magnétique est compensé
par la résonance de l’ensemble à une certaine fréquence et de très fortes tensions sont
finalement obtenues au secondaire, tout simplement par « effet transformateur ».
Le « primaire » est simplement matérialisé par quelques spires enroulées à bonne distance
du secondaire constitué de quelques milliers de tours, ce qui revient à un rapport de
transformation important.
Un éloignement progressif des deux bobinages est nécessaire afin d’éviter des amorçages
entre ces deux circuits.
Alimentation «en lâché » et modèle électrique
Alimentation «en lâché » et modèle électrique
Plusieurs étapes permettent d'atteindre des tensions de plusieurs KV.
Etape 1 : la charge du condensateur. Au départ l'éclateur est ouvert, ce qui permet à l'alimentation de
charger le condensateur. La charge est asservie à la tension de l'alimentation (50Hz pour la France).
Etape 2 : décharge du condensateur. L'éclateur se ferme et court circuite l'alimentation. Le condensateur
peut alors se décharger dans la bobine primaire et rentrer en oscillation (circuit RLC série).
Etape 3 : transfert d'énergie dans la bobine secondaire. Le champ magnétique de la bobine primaire
produit un champ induit dans la bobine secondaire. Ce qui fait rentrer en oscillation le circuit secondaire.
Comme la fréquence du primaire est égale à celle du secondaire, il y a résonance. Comme le nombre de
spires du secondaire est beaucoup plus grand que dans la bobine primaire il y a en plus amplification de la
tension (rapport de transformation).
Etape 4 : formation de l'arc électrique. A chaque oscillation du condensateur primaire, la tension au
niveau du tore augmente et devient supérieure à la tension de claquage de l'air, d'où la formation d'un arc
électrique ce qui ferme le circuit secondaire.
Etape 5 : ouverture de l'éclateur. L'éclateur s'ouvre alors, et permet de recharger le condensateur
primaire.
Et ainsi de suite…
Alimentation «en lâché » et modèle électrique
En terme de modélisation:
Le primaire est représenté par:
Un condensateur,
La bobine primaire
formant un couple L-C résonant à la fréquence f1 = 1/(2Π(L1C1) 1/2)
Le secondaire est représenté par:
Une inductance couplée par une mutuelle M au primaire,
Une résistance (qui modélise l’arc)
Un condensateur C2 (représente la capacité équivalente existant entre
l’électrode et la masse)
Il existe ainsi une seconde fréquence de résonance à considérer f2 = 1/(2Π(L2C2) 1/2)
Alimentation «en lâché » et modèle électrique
On montre alors que, si f2= f1 , la tension secondaire crête est maximale et égale à la
tension de charge du condensateur C1 multipliée par le rapport de transformation m= L .
Le rôle de l’électrode posée sur la bobine est ainsi crucial par le fait qu’elle impose la
valeur de la capacité C2 .
Une électrode présentant une grande surface est alors nécessaire afin de permettre à f2 de
n’être pas trop importante (inférieure à quelques 100 kHz) ; ceci autorisant des courants
pas trop atténués par les réactances en série.
Le coefficient de couplage ( k=M/ (L1.L2)1/2 ) modifie profondément l’allure des tensions
obtenues et donc l’échange des puissances.
En pratique, une fois le condensateur C1 chargé, la fermeture du circuit est opérée soit
par un éclateur autonome soit par des contacts à répétition souvent réalisés par un
éclateur rotatif
Alimentation «en lâché »
Exemples « Bobines de Tesla »
Alimentation Poste à souder
La création d’un arc électrique nécessite plusieurs dizaines d’ampères. Mais, les
alimentations domestiques ne peuvent pas dépasser 16A.
L’utilisation d’un transformateur élévateur de courant nous permet d’obtenir cet ampérage
nécessaire. Mais un transformateur fonctionnant à une fréquence de 50 Hz a un encombrement
conséquent.
Or nous connaissons sa tension qui est donnée par la relation de Boucherot:
Veff = 4,44 * Bmax * f * S * N
avec:
Bmax: valeur max admissible de l’induction dans le circuit magnétique,
f: fréquence de fonctionnement du transformateur,
S: section du circuit magnétique,
N: nombre de spires de l’enroulement considéré.
Donc pour diminuer le terme S * N (encombrement), on augmente la fréquence. On utilise
une alimentation à découpage qui travaille à hautes fréquences et qui a l’avantage d’avoir un
meilleur rendement que les alimentations linéaires.
Le flyback n’est pas utilisé ici car son fonctionnement repose sur le stockage d’énergie. Or,
la puissance du poste à souder est trop élevée pour pouvoir utiliser ce type d’alimentation. De ce
fait, on a utilisé un forward à demie pont asymétrique (3000 VA) .
Alimentation Poste à souder
Les transistors K1 et K2 sont commandés en synchronisme.
Pendant la conduction de K1 et K2 (temps tf), l’énergie est envoyée au secondaire à travers
le transformateur et D3. La tension au primaire est égale à E. Le courant magnétisant croît
avec une pente :
Le blocage de K1 et K2 (temps t0) provoque l’inversion de la tension au primaire et au
secondaire (blocage de D3). Le courant de l’inductance iL se referme par D4. Un troisième
enroulement du transformateur est inutile, car le courant magnétisant trouve un chemin, du
côté primaire, à travers lesforward
diodes àDdemie
L’énergie
magnétisante est récupérée par la
asymétrique
1 et D2.pont
source E. Lorsque D1 et D2 s’amorcent, la tension au primaire devient – E et le courant
magnétisant décroît, à travers D1 et D2, avec une pente égale à :
Lorsque le courant magnétisant s’annule, ce qui correspond au temps mort tm (courant nul
au primaire), les diodes cessent de conduire ; la tension aux bornes des transistors est E/2.
Alimentation Poste à souder
Les allures des courants et des tensions, de
même que la tension de sortie, sont les
mêmes que pour le forward classique, à
l’exception
de la tension aux bornes des transistors qui
est divisée par deux ( VCE= E pendant la
démagnétisation, puis E /2).