DOSSIER ésultats de la plate-forme de plasma inductif forte

DOSSIER
ésultats de la plate-forme de
plasma inductif forte puissance
des Renardières : perspectives
industrielles
Mots-clés :
Plasmas
inductifs,
Rendement,
Industrialisation
par B. PAYA, EDF-DER et F. TUAZ, CFR
Les plasmas inductifs présentent des
intérêts certains pour de nombreux
industriels. Les avancées technologiques
actuelles devraient accélerer leur mise
en place en production.
PETIT HISTORIQUE
Il y a très longtemps que les décharges inductives sont
connues des milieux scientifiques. La découverte de ce type
de décharges est généralement attribuée au physicien alle-
mand HITTORF en 1884. Mais ces expériences n'avaient
aucune prétention thermique. Dans les années 1940, le phy-
sicien russe BABAT réalisa les premières décharges induc-
tives à la pression atmosphérique. Malgré cela, le plasma
inductif n'a pas jusqu'à aujourd'hui connu l'essor technique
et industriel de son cousin le plasma d'arc car, hormis le fait
qu'il s'agit dans les deux cas d'un gaz chaud partiellement
ionisé, tout est différent.
Le principe de fonctionnement, tout d'abord. Dans une
torche à arc, un courant est généré à l'intérieur du plasma
par une différence de potentiel entre deux électrodes. Dans
la torche inductive, le courant est généré par la variation du
flux du champ magnétique dans la torche. Le principe du
chauffage par courants de Foucault, bien connu dans le
chauffage des métaux, s'applique de la même façon aux gaz
ionisés. Pour assurer un bon transfert énergétique, il est
nécessaire que la profondeur de pénétration des courants
induits dans le plasma soit approximativement égale au
rayon de la torche. Ceci conduit alors à des installations de
hautes, voire très hautes fréquences (pour l'induction s'en-
tend !). Ainsi, une installation de 20 kW fonctionnera aux
alentours de 8 MHz.
L'absence de contact entre le plasma et les parois solides
de l'enceinte fait du plasma inductif un outil idéal pour le
travail de produits de haute pureté. C'est ainsi que Quartz et
silice élabore de la silice ultra-pure destinée à la fabrication
de fibres optiques grâce à une torche de 100 kW à 3 MHz.
Des travaux sont en cours aujourd'hui dans la métallurgie
Pour développer les utilisations des plasmas induc-
tifs, EDF et CFEI ont décidé de mettre au point une
installation de plasma inductif de forte puissance
(350 kW) alimentée par un générateur de fré-
quence à transistors MOS.
Une difficulté à résoudre fut l'adaptation du géné-
rateur à la torche à plasma. l'alimenter sous une
tension suffisante, autour de 1 400 V, à partir
d'une tension de sortie de 460 V, a nécessité un
montage élévateur de tension par pont capacitif.
Les essais réalisés avec l'argon comme gaz plas-
magène ont permis d'atteindre des rendements
électriques de 64 % et des rendements d'expulsion
de 51 %, ce qui a conduit à un rendement global
en sortie de torche de 33 %.
Les axes actuels de recherche consistent à amélio-
rer la technologie de la torche dans le but de
réduire ses pertes.
In order to develop the uses of inductive plasma,
EDF and CFEI decided to build a high power
inductive plasma installation (350 kW) supplied by
a MOSFET frequency generator.
The first problem to solve was the connection bet-
ween the converter and the plasma torch. To sup-
ply it with the required voltage of about 1 400 V,
coming from an output voltage of 460 V, a boost-
er capacitance bridge was required.
The tests carried out with an argon plasma allo-
wed to reach electrical efficiencies of 64 % and
output efficiencies of 51 %, which led to a global
efficiency of 33 % at the output of the torch.
The current research axes are to improve the tech-
nology of the torch in order to reduce the electrical
losses.

L'INDUCTION DANS LES PROCÉDÉS INDUSTRIELS
des poudres pour des opérations d'élaboration, de purifica-
tion, de sphéroïdisation. La société Agyl produit ainsi des
poudres de titane purifié à un coût compétitif.
Enfin, et toujours contrairement au plasma d'arc, les
débits relativement lents des gaz plasmagènes et leur volu-
me important assurent une durée de vie plus longue des
espèces ionisées ou excitées. Le plasma inductif ouvre en
grand la voie de la chimie " propre " des hautes températures.
Dès les années 1960, les premières torches industrielles
apparaissent sur le marché en France et aux États-Unis. Les
puissances accessibles vont de 20 à 120 kW, la plage de fré-
quence s'étalant alors entre 8 et 3 MHz. Le rendement global
de telles installations se situe autour de 40 %. Étant donné les
prix des produits actuellement fabriqués par cette technique, le
rendement énergétique, et par conséquent le coût de cette éner-
gie, n'a qu'un faible poids dans le choix de la technologie.
LA MONTÉE EN PUISSANCE
DES INSTALLATIONS
L'accès des marchés plus importants en tonnage sur des
produits à valeur ajoutée moindre ne peut se faire qu'avec
une montée en puissance unitaire des torches et une amélio-
ration du rendement énergétique global. Or, deux verrous
technologiques bloquaient, jusqu'au milieu des années 80,
l'essor du plasma inductif :
- L'enceinte de confinement du plasma, la torche propre-
ment dite, doit être " transparente " au champ magnétique.
Les enceintes en quartz, même refroidies à l'eau, ne permet-
tent pas de dépasser des puissances de 120 kW. La cage
froide métallique (Figure 1), apparue au cours des années
1970 simultanément en France et aux États-Unis, reproduit à
l'intérieur le champ magnétique créé par l'inducteur qu'elle
voit à l'extérieur. Cette technologie permet d'atteindre des
puissances très importantes.
- L'alimentation électrique à fréquence élevée est réalisée
par un générateur à lampe (triode) dont le rendement propre
de conversion de fréquence ne dépasse pas 65 %. L'arrivée
sur le marché de l'induction, il y a presque 10 ans, des géné-
rateurs transistorisés de forte puissance et de haute fréquen-
ce, présentant des rendements de 85 à 90 %, devait rendre le
plasma inductif plus compétitif. La plage de fonctionnement
de ce type de générateur se situait autour de 50 à 200 kHz,
puis plus récemment jusqu'à 400 voire même 800 kHz.
qaf pas " në,
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gaz gas
au,,,i D " "la
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/
114
Puissance plasma Diamètre de la Fréquence
(kHz) torche (mm) (kW)
50 42 2500-3500
80 54 1500-2500
300 104 150-500
700 159 100-300
1. Torche à plasma inductif à cage froide métallique.
Tableau 1. - Caractéristiques des torches pour un plasma d'air.
Le tableau 1 montre que la montée en puissance des ins-
tallations de plasma inductif s'accompagne d'une augmenta-
tion en diamètre de la torche et, par conséquent, une baisse
de la fréquence de travail. Ainsi, les puissances de 300 kW
sont accessibles aux générateurs à transistors. En juin 1990,
EDF et le constructeur CFEI décident de faire ensemble un
grand pas en avant : réaliser la première installation de plas-
ma inductif d'une puissance de 350 kW alimentée par un
générateur de fréquence à transistors MOS.
LA PLATE-FORME EXPÉRIMENTALE
DES RENARDIÈRES
La plate-forme conçue par le constructeur CFEI et instal-
lée au centre EDF des Renardières se compose des éléments
suivants (Figure 2) :
- Un générateur de fréquence à transistors MOS d'une
puissance de 350 kW pouvant fonctionner entre 50 et
200 kHz,
- Un coffret de condensateurs monté en pont élévateur
capacitif,
- Une torche à plasma inductif à double flux de gaz et à
cage froide métallique,
- Un réacteur étanche et refroidi équipé d'un échangeur
interne gaz-eau,
- Une pompe à vide à palettes assurant le vide nécessaire à
l'amorçage du plasma,
- Un groupe de dépression à anneaux liquides permettant
des expérimentations sous dépression,
- Une station de gaz alimentant la torche en gaz plasmagè-
ne double flux,
- Un pupitre de contrôle-commande pilotant l'ensemble
de l'installation,
- Des moyens de mesures permettant de réaliser des bilans
calorimétriques complets de l'ensemble de l'installation.
La première mise en service de cette installation a été réali-
sée en juin 1992.
ADAPTATION DU GÉNÉRATEUR À
LA TORCHE À PLASMA INDUCTIF
Le fonctionnement correct d'une torche à plasma inductif
nécessite une alimentation électrique sous une tension éle-
vée (quelques kV). Dans les installations de petite puissance
REE
'-,- 10
52 1 No,eb,c 1997
1

Résultats de la plate-forme forte puissance des Renardières : perspectives industrielles
PO M PIE k VIDE
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2. Plate-forme expérimentale des Renardières.
alimentées par des générateurs à triode, cette tension corres-
pond à la tension de travail de la triode. Elle est donc direc-
tement disponible en sortie du générateur. Dans notre cas, la
tension de fonctionnement du pont onduleur à transistors
MOS (Figure 3) est limitée à 460 V. Il faut alors disposer
d'un moyen externe pour élever la tension aux bornes de
l'inducteur. Nous avons choisi le montage en pont élévateur
capacitif (Figure 4) pour son rendement énergétique particu-
lièrement performant.
A l'usage, ce mode d'élévation de la tension s'est avéré
très délicat [1] [2] du fait de certaines spécificités par rap-
port au montage parallèle habituellement employé pour les
onduleurs de courant en chauffage par induction :
- Il s'agit d'un circuit du troisième ordre qui présente deux
fréquences de résonance distinctes : la fréquence série qui
excite uniquement la branche de l'inducteur et la fréquence
B Pmt eêat,,pattf i
bidg,
!' n/ji
Redresseur
Rectifrer Filtre
Filter
i Réseau i
400 Filter
50 Hz
400 V
i i
MOS
m 0SFE,
HHW
C C C L+R
4. Pont élévateur capacitif
3. Convertisseur à transistors MOS.
c parallèle qui excite
l'ensemble du pont.
e est cette dernière qui
iest recherchée car elle
délivre le maximum de
puissance pour le mini-
mum de courant en sor-
cee L+R tie d'onduleur. La pre-
4. Pont élévateur capacitif mière a, par contre, une
action semblable à celle
d'un court-circuit donnant une faible puissance à l'inducteur
pour un maximum de courant en sortie d'onduleur. Ces
deux fréquences sont relativement proches l'une de l'autre.
- La présence de condensateurs dans les deux branches du
montage entraîne la possibilité de superposer une tension
continue au circuit qui se retrouve aux bornes du pont ondu-
leur. La mauvaise gestion de l'évolution de cette composan-
te peut entraîner la casse des transistors du pont.
- Le pont onduleur réclame un circuit résonant pour pouvoir
fonctionner. Or on constate que, au-delà d'une certaine valeur
de la résistance équivalente de la torche, le circuit n'est plus
oscillant. Dans le cas d'une élévation par quatre, cette résistan-
Lco
ce correspond à un facteur de qualité Q = Lw = 7,47
R
Cette valeur est atteinte lors de l'amorçage sous vide du
plasma mais pendant une période courte acceptable par le
REE
N'10
Novembre 1997

L'INDUCTION DANS LES PROCÉDÉS INDUSTRIELS
générateur. Dans certaines conditions, on peut aussi l'at-
teindre en régime nominal de fonctionnement, ce qui est
interdit pour le générateur.
- Dans le cas idéal, le facteur multiplicatif de la tension est
égal à 4. Il est obtenu quand la résistance équivalente de la
torche est faible. Ce facteur augmente avec cette résistance,
c'est-à-dire avec la puissance transmise au plasma. Des sur-
tensions apparaissent alors, aux bornes des condensateurs
placés en série avec l'inducteur, qui peuvent excéder leur
valeur nominale de fonctionnement.
Il apparaît donc que, pour pouvoir fonctionner correcte-
ment, il faut parfaitement maîtriser les évolutions de la
torche à plasma et régler finement les consignes de pilotage
du pont onduleur. Moyennant quoi, on obtient une solution
fiable et particulièrement performante avec un plasma stable
capable de fonctionner pendant plusieurs heures sans extinc-
tion accidentelle. Elle est bien adaptée à une production fixe
sans variation importante des paramètres (fréquence, nature
et débits des gaz) et le rendement de ce montage élévateur
est excellent (97 %).
PERFORMANCES ÉNERGÉTIQUES
DE L'INSTALLATION
Les moyens de mesures mis en place sur l'installation
nous permettent de déterminer de façon précise ses perfor-
mances énergétiques, en particulier la répartition des pertes
entre les différents composants. Nous avons ainsi étudié
l'évolution de la répartition de la puissance selon les condi-
tions de fonctionnement de la torche en faisant varier des
paramètres tels que les débits de gaz plasmagènes, la tempé-
rature moyenne et la pression de travail [3].
Nous nous sommes particulièrement intéressés à deux
rendements en particulier :
- Le rendement électrique est défini comme le rapport
entre l'énergie injectée dans le plasma par voie électroma-
gnétique et l'énergie électrique disponible en sortie du pont
élévateur capacitif. Sont donc prises en considération dans
ce rendement les pertes par effet Joule dans l'inducteur et
dans la cage métallique refroidie. Ce rendement est intéres-
sant pour caractériser des traitements à l'intérieur de la
torche par injection amont des produits.
- Le rendement d'expulsion est défini comme le rapport
entre l'énergie thermique disponible en sortie de la torche et
l'énergie injectée par voie électromagnétique dans le plas-
ma. Sont donc prises en considération dans ce rendement les
pertes par rayonnement et convection du plasma à l'intérieur
de la torche.
- Le rendement global est alors le produit de ces deux ren-
dements. Il est intéressant pour caractériser des traitements à
l'extérieur de la torche par injection aval ou dépôt sur un
substrat.
Bien entendu, les pertes mesurées par bilan calorimétrique
dans la cage métallique correspondent aux pertes Joule de la
cage et aux pertes thermiques du plasma. Pour séparer ces
deux termes, nous avons supposé que les pertes Joule étaient
identiques en présence ou en l'absence du plasma.
Sur un plasma d'argon, nous avons constaté que les ren-
dements variaient peu avec la température du plasma. Les
débits centraux élevés favorisaient le rendement électrique
au détriment du rendement d'expulsion, ce qui conduit à un
rendement global constant. Les conditions optimales de
fonctionnement sont obtenues avec un débit périphérique
entre 10 et 20 % du débit central. Nous atteignons alors des
rendements de 64 % pour le rendement électrique, 51 %
pour le rendement d'expulsion et 33 % pour le rendement
global.
Nous avons réalisé aussi quelques essais à des pressions
de travail inférieures à la pression atmosphérique. Nous
constatons alors que le rendement électrique est invariant
mais que le rendement d'expulsion s'accroît fortement.
Nous avons pu ainsi atteindre des rendements globaux de
64 % en travaillant à une pression de 0,2 bar.
de
nox elr,ini gaz p>anageie gis
F,ix dLi caz de
I) ag,
Cage fOide à
sacteurr, riétaiquLs
C,,11 cîac ; b
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. (cpü : r. Cace f·üie a
`seote s r.tlleques
5. Pasition de la torche à l'intérieur de l'enceinte.
AMÉLIORATION DES PERFORMANCES :
L'APPORT DE LA MODÉLISATION
Dans nos premières expérimentations, nous avions placé
l'ensemble inducteur et torche à l'intérieur de l'enceinte à
vide (Figure 5) de manière à éviter la circulation des cou-
rants induits dans celle-ci. La répartition des puissances dis-
sipées par induction dans les différents éléments est bonne
(Figure 6). Cependant, le pilotage de l'installation s'est révé-
lé délicat, en particulier dans la phase d'amorçage sous vide.
Nous observions alors des arcs électriques entre l'inducteur,
la torche et l'enceinte refroidie qui furent particulièrement
destructeurs pour l'ensemble de l'installation.
Nous avons alors décidé de placer la torche à l'extérieur
du réacteur. La liaison avec le reste de l'enceinte est réalisée
par une bride de manière à fermer l'enceinte (Figure 7).
Dans ces conditions, l'inducteur travaille toujours à la pres-
sion atmosphérique. Seul l'intérieur de la torche peut être
placé sous vide lors de l'amorçage du plasma. En contrepar-
tie, la bride en acier inox est chauffée par induction, du fait
de la présence de l'inducteur à proximité.
REE
NI 10
.Jovembie 1997

Résultats de la plate-forme forte puissance des Renardières : perspectives industrielles
CAPACtTE tNOU (')'Et ! K
C.4PACIT4NCE Coli,
2.1% CREUSET FROID
D CR T,CIBLE
13%
f-- 75 kilz
Dc=195.8 kg/h
' 75 t : Fiz
Dc=I95.8 kglh ;,
Dp= 17.8 k «,/h
6. Répartition des énergies électriques :
torche à l'intérieur de l'enceinte.
PLASNIA
PLASAIA
PL : Suï ;
PLfiS : lA
76%
- ° c t t rts tç7 t1'i4r
i itif^insW at
'i,rwru rtra,'F
Ftu_r
\Vfiçt4lr b4 (. 1 Cs' : ? lui ° ; 1 hl ÉJii viG £ic
dt F >&lt; r :.c.'ur,r : te.o_ ;,
sâe>If rtcrr.rrr urt ye dct , ontr3
r I I.a m zr iln ;
Liu
7 nd m4-t.r I4 m13n44
t'oil .S ; (L'lu.nliC s,.faF 3 " FIY
7. Position de la torche à l'extérieur de l'enceinte.
BIUDJE CAPACITE
FI.A,'VGE (AP.4 (7TA,\,CE
4% 2% CVIL
-- 9% % 7<
u
s ea
PL-SMA !
.62°Â.
ls2 % I
CREUSET FROID
COLD CRUClBLE
22%
P=3) 7kW
f= 75 kHz i
ID,= 20-17 ligrn
[Dp= ZJkg/h _J
8. Répartitior des éuergies électriques :
torche à l'extérieur de l'enceinte.
vc ...............
. va
v. w, a
9. Répartition de la puissance sur un secteur.
Nous observons (Figure 8), dans cette configuration, que
les pertes par effet Joule dans le creuset froid sont plus
importantes que dans la première configuration. Cela est dû
à l'effet de court-circuit de la bride supérieure. Elle écrase le
champ magnétique entre l'inducteur et la bride, ce qui pro-
voque une augmentation des courants induits dans les sec-
teurs du creuset. De plus, le champ magnétique présent à
l'intérieur de la torche diminue, ce qui réduit le transfert
d'énergie au plasma. Cet effet d'écran passe de 10 % de
réduction du champ quand la torche est à l'intérieur jusqu'à
27 % quand la torche est à l'extérieur. Cela correspond à
une réduction de puissance dans le plasma de 35 %.
La modélisation doit pouvoir nous apporter des solutions
pour optimiser le dessin de la torche. Le logiciel TRIFOU@
développé par EDF a été utilisé pour modéliser le comporte-
ment de la cage métallique de la torche à plasma [4] [5]. Les
résultats de simulation de la torche de la plate-forme des
Renardières sont tout-à-fait conformes aux mesures expéri-
mentales. La puissance dissipée dans les secteurs est déter-
minée avec une erreur de 2 %. L'effet d'écran du champ par
le creuset est bien mis en évidence avec un écart calcul-
expérience de 5 %. Enfin, la simulation met en évidence les
répartitions de courant dans les secteurs et donc les zones de
chauffes préférentielles (Figure 9). Ces résultats numériques
probants nous ont donc encouragé à lancer une étude d'opti-
misation du dessin de la torche grâce à la simulation numé-
rique [6].
CONCLUSION : UN OUTIL INDUSTRIEL
MAÎTRISÉ POUR DE NOUVELLES
PERSPECTIVES D'UTILISATION
Nous disposons aujourd'hui d'un outil de forte puissance,
fiable et performant. Le constructeur CFEI, partenaire de
cette recherche, est à même aujourd'hui de proposer un outil
de taille au moins comparable à celle de la plate-forme des
Renardières pour réaliser des procédés de taille relativement
importante : élaboration, traitement et purification de
poudres métalliques ou céramiques, élaboration ou destruc-
tion chimique, etc... L'investissement d'une telle installation
équipée d'un générateur à transistors MOS s'avère deux fois
moins élevé que celui d'une installation fonctionnant avec
un générateur à triode. Le rendement de la torche elle-même
reste stable ; le changement de technologie permet une
réduction sensible de la consommation énergétique.
L'entretien est plus faible, les transistors ayant une durée de
vie illimitée.
Pour compléter nos travaux de recherches, nous allons étu-
dier le comportement de la torche avec des plasmas de
mélanges diatomiques tels que argon+hydrogène,
argon+oxygène, air. Nous pourrons ainsi balayer la majorité
des gaz utilisés dans les plasmas inductifs en particulier pour
les opérations d'oxydation ou de réduction des poudres en
vue de l'élaboration de métaux ou de céramiques. Nous
poursuivrons aussi notre travail d'optimisation des perfor-
REE
N'10
Novembre 1997