Rapport Final # Projet : 2010-161 Conception d'un ... - UQAC
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Université du Québec à Chicoutimi<br />
MODULE D’INGÉNIERIE<br />
GÉNIE ÉLECTRIQUE<br />
6GIN555 PROJET DE SYNTHÈSE EN INGÉNIERIE<br />
# <strong>Projet</strong> : <strong>2010</strong>-<strong>161</strong><br />
<strong>Rapport</strong> <strong>Final</strong><br />
<strong>Conception</strong> d’un générateur d’impulsion<br />
Préparé par<br />
Allard, Patrick<br />
Bouchard, Maxime<br />
St-Pierre, Alexandre<br />
Pour<br />
Fofana, Issouf<br />
27 août <strong>2010</strong><br />
CONSEILLER : Fofana, Issouf PH.D<br />
COORDONNATEUR : Jacques Paradis, ing
Nom du conseiller<br />
Date<br />
Signature<br />
Approbation du rapport d’étape pour diffusion<br />
ii
Résumé de la<br />
problématique et des<br />
objectifs<br />
Résumé du travail<br />
réalisé<br />
RÉSUMÉ DES<br />
CONCLUSIONS<br />
CONCEPTION D’UN GÉNÉRATEUR D’IMPULSION<br />
Étant dans une ère de surconsommation continuellement croissante<br />
où l’importance de prendre soin de l’environnement est au cœur des débats,<br />
il est primordial de trouver des solutions au niveau du traitement des<br />
déchets. La solution envisagée est d’utiliser les puissances électriques pulsées<br />
afin de traiter ces déchets. Cependant, le projet porte sur la fragmentation de<br />
matériaux et non sur leur récupération. Les principaux objectifs sont de<br />
concevoir un générateur d’impulsion haute tension ainsi qu’un dispositif de<br />
mesure et d’acquisition de la forme d’onde.<br />
Tout d’abord, des recherches ont été effectuées au niveau du<br />
générateur d’impulsion, des calculs théoriques ont permis de dimensionner<br />
les composantes à utiliser au niveau du générateur et des simulations à l’aide<br />
de logiciels ont permis de valider tout cela. En second lieu, différentes<br />
méthodes ont été étudiées afin de déterminer le meilleur circuit de<br />
déclenchement possible pour permettre la commutation des thyristors et<br />
pour permettre d’acquisitionner la forme d’onde à la sortie. Par la suite, une<br />
partie du travail fût effectuée au niveau de l’aspect sécurité et des<br />
composantes à utiliser afin de rendre le tout sécuritaire. <strong>Final</strong>ement, le reste<br />
du travail a consisté à réaliser le montage et d’effectuer les tests.<br />
Puisqu’un prototype permettant d’effectuer des essais destructif était<br />
trop coûteux, celui-ci à été fabriqué de façon valider le concept. En effet,<br />
l’énergie nécessaire à la fragmentation d’objets demandait des composantes<br />
trop onéreuses. Ainsi, le prototype développé à permis de produire un choc<br />
de type ‘foudre’ à une tension de 10 kV respectant la norme IEEE. Lors des<br />
essais à basse tension, les résultats obtenus ont été encore meilleurs que<br />
ceux espérés par la simulation, tandis que, à tension maximale l’efficacité<br />
s’est avérée presque semblable à la simulation.<br />
iii
Table des matières<br />
Introduction .......................................................................................................................... 1<br />
Présentation du projet ......................................................................................................... 2<br />
Description du projet ........................................................................................................ 2<br />
Description de l’équipe de travail .................................................................................... 2<br />
Problématique et état de l’art reliés au projet ................................................................ 2<br />
Objectifs généraux et spécifiques du projet .................................................................... 3<br />
Méthodologie ....................................................................................................................... 4<br />
Générateur de Marx ......................................................................................................... 4<br />
Alimentation du générateur ......................................................................................... 4<br />
Redresseur .................................................................................................................... 4<br />
Générateur d’impulsion ............................................................................................... 4<br />
Mesure de protection ................................................................................................... 5<br />
Mesure et acquisition ................................................................................................... 5<br />
Expérimentation ............................................................................................................... 5<br />
Prototypage ...................................................................................................................... 5<br />
Validation des résultats .................................................................................................... 5<br />
Élément de conception ......................................................................................................... 6<br />
Générateur de Marx ......................................................................................................... 6<br />
Choc de foudre ............................................................................................................. 6<br />
Principe de fonctionnement du générateur ................................................................. 7<br />
Dimensionnement des composantes du générateur ................................................... 9<br />
Transmission d’énergie ............................................................................................... 12<br />
Propagation de la décharge électrique ...................................................................... 16<br />
Thyristor.......................................................................................................................... 17<br />
Circuit d’Aide à La Commutation (CALC) .................................................................... 18<br />
Détermination de la capacité Cs : ............................................................................... 19<br />
Circuit de déclenchement des thyristors ....................................................................... 20<br />
Le système de déclenchement ................................................................................... 23<br />
FPGA ........................................................................................................................... 24<br />
iv
Structure du prototype ................................................................................................... 26<br />
Mesure haute tension .................................................................................................... 27<br />
Oscilloscope .................................................................................................................... 28<br />
Sonde 1000X P6015 .................................................................................................... 28<br />
Mesures de protection ................................................................................................... 29<br />
Protection au condensateur ....................................................................................... 29<br />
Protection du thyristor ............................................................................................... 30<br />
Prise DDFT ................................................................................................................... 31<br />
Étude des courants ............................................................................................................. 32<br />
La charge ......................................................................................................................... 32<br />
La décharge ..................................................................................................................... 33<br />
L’étude du dernier étage ................................................................................................ 33<br />
Le premier étage............................................................................................................. 35<br />
Le deuxième étage ......................................................................................................... 36<br />
Simulation ........................................................................................................................... 38<br />
Phase d’expérimentation préliminaire ............................................................................... 40<br />
Déclenchement des thyristors ........................................................................................ 40<br />
Protocole d’essais ............................................................................................................... 41<br />
Résultats ............................................................................................................................. 42<br />
Simulation ....................................................................................................................... 42<br />
Système de déclenchement ........................................................................................... 43<br />
Impulsion de sortie du générateur d’impulsion ......................................................... 43<br />
Impulsion au secondaire du tore ................................................................................ 44<br />
Onde de choc .................................................................................................................. 45<br />
Onde de choc à 10 kV ................................................................................................. 45<br />
Onde de choc à basse tension .................................................................................... 46<br />
Tension de sortie à tension différente ........................................................................... 47<br />
Comparaison des résultats ................................................................................................. 48<br />
Étude des courants ......................................................................................................... 48<br />
Bilan des activités ............................................................................................................... 50<br />
IV. 1 Arrimage formation académique/application pratique projet .............................. 50<br />
v
Travail d’équipe .............................................................................................................. 50<br />
Respect de l’échéancier .................................................................................................. 51<br />
Analyse et Discussion ......................................................................................................... 53<br />
Conclusion et recommandations ........................................................................................ 55<br />
Bibliographie ....................................................................................................................... 56<br />
Doubleur de Shankell ..................................................................................................... 56<br />
Générateur de Marx ....................................................................................................... 56<br />
Système de déclenchement thyristor ............................................................................ 57<br />
Circuit d’aide à l’ouverture ............................................................................................. 57<br />
Thyristor.......................................................................................................................... 57<br />
Dispositif d’acquisition ................................................................................................... 57<br />
Annexe A ............................................................................................................................. 58<br />
Calcul .............................................................................................................................. 58<br />
Étude des courants ..................................................................................................... 58<br />
Calcul de la capacité objet .............................................................................................. 59<br />
Calcul de l’amplification résultante de l’effet de pointe : .............................................. 59<br />
Calcul des composantes du générateur de Marx ....................................................... 60<br />
Annexe B ............................................................................................................................. 62<br />
Dimensionnement des pièces ........................................................................................ 62<br />
4 diodes ...................................................................................................................... 62<br />
Résistances ................................................................................................................. 63<br />
Thyristors .................................................................................................................... 64<br />
Dimensionnement du CALC ........................................................................................ 64<br />
Dimensionnement du diviseur capacitif ..................................................................... 65<br />
Annexe C ............................................................................................................................. 66<br />
Fiche technique .............................................................................................................. 66<br />
Annexe D............................................................................................................................. 71<br />
Abaque ............................................................................................................................ 71<br />
Annexe E ............................................................................................................................. 72<br />
Bilan des coûts ................................................................................................................ 72<br />
vi
Liste des figures<br />
Figure 1: Schéma bloc de la méthodologie .......................................................................... 4<br />
Figure 2:Forme d'onde du choc de foudre ........................................................................... 6<br />
Figure 3:Générateur de Marx à 3 étages .............................................................................. 7<br />
Figure 4: Schéma équivalent générateur multi-étages ........................................................ 8<br />
Figure 5:Schéma bloc de l'alimentation du générateur ....................................................... 9<br />
Figure 6: Branchement des transformateurs de contrôle.................................................... 9<br />
Figure 7: Applications des puissances pulsées ................................................................... 12<br />
Figure 8: Principe de la production de puissance pulsée ................................................... 13<br />
Figure 9: Schéma <strong>d'un</strong> redresseur double alternance ....................................................... 13<br />
Figure 10: Principe de l'effet de pointe .............................................................................. 15<br />
Figure 11:Schéma <strong>d'un</strong>e décharge électrique subsonique ................................................ 16<br />
Figure 12:Schéma des jonctions PN et des pattes du thyristor ........................................ 17<br />
Figure 13:Schéma en BJT du thyristor ................................................................................ 17<br />
Figure 14:Représentation électronique du thyristor ......................................................... 18<br />
Figure 15:Schéma électrique <strong>d'un</strong> circuit de snubber ........................................................ 18<br />
Figure 16:Graphique du courant à travers le thyristor ...................................................... 20<br />
Figure 17: Principe d'amorçage des thyristors ................................................................... 20<br />
Figure 18:Allure de l'impulsion de déclenchement ............................................................ 22<br />
Figure 19: Circuit de déclenchement ................................................................................. 23<br />
Figure 20: Programmation du FPGA ................................................................................... 24<br />
Figure 21:Rédultat des simulations sur MATLAB ............................................................... 25<br />
Figure 22: Circuit d'amplification du signal du FPGA ......................................................... 26<br />
Figure 23:Diviseur capacitif ................................................................................................ 27<br />
Figure 24: Oscilloscope Tektronix ....................................................................................... 28<br />
Figure 25: Circuit de protection .......................................................................................... 29<br />
Figure 26: Courbe idéale courant-tension <strong>d'un</strong>e varistance .............................................. 30<br />
Figure 28: Fonctionnement prise DDFT .............................................................................. 31<br />
Figure 27: Prise DDFT.......................................................................................................... 31<br />
Figure 29: Circuit électrique du générateur de Marx lors de la charge ............................. 32<br />
Figure 30: Schéma électrique du générateur de Marx lors de la décharge ....................... 33<br />
Figure 31: Représentation du dernier étage du générateur .............................................. 33<br />
Figure 32: Circuit équivalent du dernier étage du générateur .......................................... 34<br />
Figure 33:Schématisation des courants circulant ainsi que leur sens ............................... 34<br />
Figure 34:Schéma du premier étage du générateur .......................................................... 35<br />
Figure 35:Schéma équivalent du premier étage ................................................................ 35<br />
Figure 36:Schéma équivalent du premier étage avec le sens des courants ...................... 35<br />
viii
Figure 37:Schéma du deuxième étage du générateur ....................................................... 36<br />
Figure 38:Schéma équivalent du deuxième étage du générateur ..................................... 36<br />
Figure 39:Schéma équivalent du deuxième étage avec le sens des courants ................... 37<br />
Figure 40: Banc d'essai ....................................................................................................... 39<br />
Figure 41: Circuit de déclenchement des thyristors lors des phases préliminaires ........... 40<br />
Figure 42: Résultat de l'impulsion de sortie du générateur d'impulsion ........................... 43<br />
Figure 43: Résultat de l'impulsion au secondaire du tore .................................................. 44<br />
Figure 44:Résultat de l'Onde de choc à 10 kV .................................................................... 45<br />
Figure 45: Résultat de l'onde de choc à basse tension ...................................................... 46<br />
Figure 46: Résultat comparatif des sorties de tension du générateur............................... 47<br />
Figure 47: Datasheet des thyristors ................................................................................... 64<br />
Figure 48: Diviseur capacitif ............................................................................................... 65<br />
Figure 49: Datasheet des varistances ................................................................................. 67<br />
Figure 50 : Datasheet des condensateurs .......................................................................... 67<br />
Figure 51: Datasheet des condensateurs (suite) ................................................................ 68<br />
Figure 52: Datasheet des relais .......................................................................................... 68<br />
Liste des tableaux<br />
Tableau 1:Valeur des courants du dernier étage ............................................................... 34<br />
Tableau 2:Valeur des courants circulant au premier étage ............................................... 36<br />
Tableau 3:Valeurs des courants circulant pour le deuxième étage ................................... 37<br />
Tableau 4: Résultat du dernier étage ................................................................................. 42<br />
Tableau 5:Résultat du premier étage ................................................................................. 42<br />
Tableau 6: Résultat du deuxième étage ............................................................................. 42<br />
Tableau 7: Dernier étage .................................................................................................... 48<br />
Tableau 8: Premier étage ................................................................................................... 48<br />
Tableau 9: Deuxième étage ................................................................................................ 48<br />
Tableau 10:Tension de sortie théorique vs pratique ......................................................... 49<br />
Tableau 11: Tension de sortie théorique vs simulation ..................................................... 49<br />
Tableau 12: Temps de montée et de descente de l’onde de choc .................................... 49<br />
Tableau 13: Datasheet des diodes ..................................................................................... 62<br />
Tableau 14: Résistances utilisées avec les tensions et courants à supporter .................... 63<br />
Tableau 15: Datasheet des résistances .............................................................................. 63<br />
Tableau 16: Datasheet des diodes ..................................................................................... 70<br />
ix
Introduction<br />
Le rapport suivant fait l'objet de la conception d’un générateur de Marx de A à Z. Celui-ci<br />
représente la totalité du travail accompli en vue d’obtenir un générateur de choc de foudre<br />
fonctionnel. Celui qui a été conçu et qui est traité dans le présent rapport est d’ailleurs une<br />
réussite puisqu’il permet de délivrer un choc de l’ordre de 10 kV avec une efficacité supérieur à<br />
80%.<br />
Ce projet consiste en la dernière épreuve du BAC en génie électrique. Celui-ci représente<br />
la synthèse de toutes les notions et techniques de travail apprises lors des dernières années. Il<br />
sollicite le futur ingénieur aux multiples défis que pourra lui apporter son futur métier, le tout<br />
dans un environnement académique surveillé et contrôlé. Lors de la réalisation du projet,<br />
l'étudiant doit être capable de concevoir un projet, dans le domaine de la haute tension, qui soit<br />
efficace et sécuritaire tout en respectant les contraintes budgétaires. Un projet dans l’usage<br />
haute tension implique des composantes plus grosses et par le fait même plus dispendieuses. Il<br />
faut aussi surtout redoubler de prudence quant à la sécurité du prototype qui délivre des chocs<br />
mortels. L’étudiant doit user d’ingéniosité afin d’effectuer une conception performante tout en<br />
respectant les contraintes de ce domaine.<br />
Le rapport a été écrit de façon à amener tranquillement le lecteur vers les résultats<br />
expérimentaux, l’analyse ainsi que les conclusions tirées face aux réussites et aux points faibles<br />
de la conception. Tout d’abord, une description élaborée du projet est présentée suivi de la<br />
problématique qui entoure la mise en place de cette recherche, puis les objectifs visés. Suite à<br />
cette initiation, on entre dans le vif du sujet en décrivant et en expliquant précisément chaque<br />
partie qui a dû être pensée et conçue. Cette phase du rapport présente aussi la méthodologie,<br />
les simulations et les tests préalables au déclenchement des thyristors. Viens par la suite, le<br />
bilan des activités qui comprend les résultats tant attendus ainsi que leur analyse. On retrouve à<br />
la fin du rapport, attaché en annexe, tous les calculs et fiches techniques.<br />
1
Présentation du projet<br />
Description du projet<br />
Le présent projet fait appel à des connaissances au niveau des puissances électriques<br />
pulsées afin de fragmenter des objets en utilisant la vitesse de propagation d’une onde de choc<br />
créé dans l’eau. Un générateur de choc est utilisé afin de pouvoir créer ce type d’onde entre<br />
deux électrodes divergentes soumis à des tensions de choc très élevées à l’aide de champs<br />
électriques impulsionnels très élevés. Le résultat de ce projet est d’ainsi récupérer les<br />
différentes composantes des matériaux fragmentés.<br />
Description de l’équipe de travail<br />
Les membres de l’équipe sont Patrick Allard, Maxime Bouchard et Alexandre St-Pierre. Le<br />
conseiller ainsi que le promoteur est Issouf Fofana. Pour ce qui est de la première rencontre, on<br />
a discuté du projet choisi ainsi que de se mettre à trois sur ce projet pour le réaliser. De plus, M.<br />
Fofana nous a donné de l’information ainsi que des pistes afin de démarrer notre recherche sur<br />
le sujet choisi. Au niveau de la fréquence des autres rencontres, elles étaient très élevées au<br />
départ afin de bien comprendre le principe du générateur et ce qui était demandé. Par la suite,<br />
soit au mois de juin jusqu’à la mi-juillet, elles étaient moins fréquentes pour ensuite le redevenir<br />
puisque la phase expérimentale approchait.<br />
Problématique et état de l’art reliés au projet<br />
Les ondes de chocs créés dans un liquide par le générateur permettent la fragmentation<br />
de déchets et ainsi une récupération plus efficace des matériaux qui les composent et une<br />
réduction d’espace que ceux-ci peuvent occuper.<br />
La principale utilisation de la puissance électrique pulsée est de reproduire des formes<br />
d’onde de différents types, soit un choc de manœuvre, à front raide ou de foudre. L’utilité de<br />
reproduire un choc de foudre par exemple est de pouvoir tester si des composantes électriques<br />
ou électroniques peuvent lui résister si un orage survient et s’abat sur l’une d’entre-elle. De<br />
plus, du fait de la grande énergie que ce type de technologie peut déployer, on peut l’utiliser<br />
dans d’autres domaines tel le traitement de cellules végétales ou biologiques ainsi que dans le<br />
domaine de l’agroalimentaire pour réduire la contamination bactérienne et ainsi augmenter la<br />
durée de vie de différents produits.<br />
2
Objectifs généraux et spécifiques du projet<br />
Le principal objectif de ce projet est de concevoir un générateur d’impulsion à haute<br />
tension devant fragmenter la matière. Avec l'estimation des coûts présentée dans le plan de<br />
travail, il a fallu modifier les objectifs initiaux qui étaient d'obtenir une tension de sortie de<br />
100 kV et une énergie transmise de 10 kJ afin de pouvoir détruire de la matière solide. Dû à la<br />
contrainte budgétaire, il a fallu modifier à la baisse l’ampleur de notre générateur. En effet,<br />
comme il faut une grande énergie afin de briser la matière, la capacité des condensateurs doit<br />
être grande afin d’accumuler l’énergie nécessaire. Le présent concept sera le même que le<br />
premier, mais les résultats seront malheureusement beaucoup moins intéressants. L’énergie<br />
déployée ne sera pas destructive et la tension finale sera dix fois moins grande que l’objectif<br />
initial. Donc, afin de pallier à ces coûts monstres, chaque étage aura une tension de 1kV au lieu<br />
de 10kV et aucune énergie précise ne sera visée. Une nouvelle estimation des coûts sera placée<br />
en annexe.<br />
De plus, la conception d’un système d’acquisition de la tension et de la forme d’onde a<br />
été demandée, cependant on a obtenu une sonde permettant de mesurer directement à la<br />
sortie la tension et la forme d’onde sur un oscilloscope sans avoir à concevoir un système<br />
d’acquisition en tant que tel.<br />
3
Méthodologie<br />
Voici un diagramme bloc de la méthode proposée afin de réaliser le générateur<br />
d’impulsion à haute tension.<br />
Source Redresseur<br />
Générateur de Marx<br />
Alimentation du générateur<br />
Générateur<br />
d’impulsion<br />
Mesure<br />
de<br />
protection<br />
Figure 1: Schéma bloc de la méthodologie<br />
Mesure<br />
et<br />
acquisition<br />
La source de tension qui sera utilisée afin d’alimenter notre générateur d’impulsion sera<br />
un transformateur de 120 : 12000 volts. La tension d’alimentation nécessaire afin de faire<br />
fonctionner notre générateur afin d’avoir un choc de foudre de 10000 volts devra être de 1000<br />
volts. Ainsi, il sera nécessaire de faire varier l’alimentation du transformateur afin de l’ajuster à<br />
la tension nécessaire.<br />
Redresseur<br />
L’alimentation de notre générateur d’impulsion doit se faire selon une tension<br />
continue. Comme la source d’alimentation sera alternative, il est nécessaire de trouver un<br />
moyen de redresser cette tension. La méthode qui sera utilisée afin de réaliser cela est un<br />
redresseur double alternance à diode.<br />
Générateur d’impulsion<br />
Il existe plusieurs types de générateur d’impulsion, soit à fort courant, à forte<br />
tension ou les deux en même temps. Le montage envisagé est un montage à forte tension. Il est<br />
nommé générateur de Marx et celui-ci sera dimensionné selon les spécifications et normes<br />
déterminées. Afin d’opérer notre générateur d’impulsion, la méthode de commutations utilisée<br />
sera effectuée à l’aide de thyristors.<br />
4
Mesure de protection<br />
Le générateur sera utilisé à des tensions élevées. Alors, pour la sécurité des utilisateurs,<br />
un système de protection devra être envisagé. De plus, comme les pièces sont dispendieuses, la<br />
protection de celles-ci devra être faite.<br />
Mesure et acquisition<br />
Lors de notre projet, nous devons concevoir un dispositif de mesure et<br />
d’acquisition de la forme d’onde. Au niveau de l’acquisition de mesure de haute tension de<br />
choc, il existe plusieurs façons de procéder. Plusieurs méthodes ont été envisagées et testées.<br />
Celle retenue sera l’utilisation d’une sonde pouvant supporter ces tensions.<br />
Expérimentation<br />
Lorsque le dimensionnement de notre générateur a été effectué, afin de valider nos<br />
calculs théoriques, une simulation à l’aide du logiciel de Matlab a été effectuée. Ainsi, on<br />
s’assure que le dimensionnement a bien été fait.<br />
Prototypage<br />
Le prototypage proposé sera un prototype transportable se composant d’un<br />
châssis ouvert afin de faciliter le travail autour de celui-ci.<br />
Validation des résultats<br />
La validation de notre projet sera évaluée sur l’efficacité obtenue en comparant à nos<br />
simulations effectuées. De plus, comme notre générateur doit effectuer des chocs de type<br />
foudre, les temps de montée et de descente de notre onde acquise devront correspondre à la<br />
norme IEEE.<br />
5
Élément de conception<br />
Générateur de Marx<br />
Choc de foudre<br />
Un choc est une tension ou un courant transitoire qui est dit apériodique, qui est<br />
appliqué de manière intentionnelle et qui croît rapidement jusqu’à l’obtention d’une valeur<br />
crête pour ensuite décroître jusqu’à obtenir une valeur nulle. On peut ainsi représenter un choc<br />
par la somme de deux exponentielles. On caractérise alors un générateur de choc par la valeur<br />
de tension de crête, le temps de montée et le temps de descente.<br />
Figure 2:Forme d'onde du choc de foudre<br />
Il existe ainsi plusieurs types de chocs, mais dans notre situation le type de choc<br />
recherché est de foudre. Il faut alors un temps (T1) de montée ou de front de 1,2 µs et un temps<br />
(T2) de descente ou de queue de 50 µs si on veut respecter les critères de ce type de choc.<br />
6
Principe de fonctionnement du générateur<br />
Tout d’abord, le principe d’un générateur de Marx est plutôt simple, il consiste à charger<br />
une certaine quantité de condensateurs en parallèle à l’aide d’une certaine tension<br />
d’alimentation et de les décharger par la suite en série en utilisant des commutateurs (éclateurs<br />
à air ou thyristors). Il est ainsi possible de multiplier la tension d’alimentation par le nombre<br />
d’étages ajoutés ce qui permet alors d’atteindre des valeurs de tension de sortie très élevées.<br />
Au niveau de la qualité du générateur, elle est déterminée par le synchronisme de fermeture<br />
des commutateurs qui doivent se déclencher le plus rapidement possible et en même temps.<br />
Voici le schéma représentatif d’un générateur à trois étages avec éclateurs à air :<br />
Figure 3:Générateur de Marx à 3 étages<br />
On peut aussi représenter le schéma précédent par un schéma équivalent pour<br />
un générateur multi-étage :<br />
7
Figure 4: Schéma équivalent générateur multi-étages<br />
Où R1 = nR ’ f + Rs ; R2 = nR ’ r et n est le nombre d’étages<br />
Pour ce qui est du fonctionnement, le tout commence par la charge à tension<br />
continue des condensateurs (C ’ a et C ’ s) en parallèle par l’intermédiaire des résistances de charge<br />
(R10 et R ’ 1). Malgré que le courant de charge traverse aussi les résistances R ’ r et R ’ f, elles sont<br />
dimensionnées de manière à êtres plus petites que celles de charge, donc elles n’influencent<br />
pas le temps de charge des condensateurs. Lorsque les condensateurs sont bien chargés, on les<br />
décharge ensuite en série par l’intermédiaire des éclateurs (G) à la suite du claquage du<br />
diélectrique du premier éclateur qui entraîne par la suite les autres. Afin que le déclenchement<br />
se fasse dans le bon ordre et de la meilleure façon possible, l’écartement du premier éclateur<br />
est légèrement plus faible que les autres ce qui fait que l’amorçage se produit tout d’abord sur<br />
celui-ci. Ce type de montage peut fournir des tensions de choc, manœuvre ou de foudre de<br />
l’ordre de 6MV. Dans notre cas, le nombre d’étages sera de dix avec une tension d’alimentation<br />
de 1kV, ce qui donnera une tension de sortie de 10kV.<br />
On peut remarquer que le type de commutateurs utilisés est des éclateurs à air qui<br />
comportent deux parties distinctes séparées par un diélectrique qui est dans ce cas l’air. Les<br />
principales caractéristiques de ce type de commutateur se situent au niveau de sa grande<br />
endurance pour de forts courants et de fortes tensions. Lorsqu’on envoie une impulsion sur une<br />
des deux électrodes, le gaz inter-électrode s’ionise ce qui entraîne la conduction de l’éclateur.<br />
Cependant, ce type de composante comporte certains inconvénients, soit qu’une utilisation<br />
répétitive à fréquence élevée ne laisse pas suffisamment de temps à l’air de recouvrer sa valeur<br />
diélectrique de claquage. De plus, le réglage de l’écartement des éclateurs peut s’avérer critique<br />
et difficile. C’est pourquoi, dans notre cas, on utilisera des commutateurs à semi-conducteur,<br />
soit des thyristors qui sont plus fragiles, mais qui permettront d’avoir un meilleur synchronisme<br />
au niveau du déclenchement. Cependant, il ne faut pas oublier qu’un système de<br />
déclenchement impulsionnel est nécessaire à l’amorçage de ces derniers.<br />
8
Dimensionnement des composantes du générateur<br />
Alimentation<br />
L’alimentation du générateur d’impulsion est composée de trois transformateurs. Le<br />
transformateur principal qui élève notre tension à 1000 volts est un transformateur 120 : 12000<br />
volts. Afin d’effectuer plusieurs essais à des tensions différentes, un autotransformateur sera<br />
installé à l’entrée de notre transformateur. L’autotransformateur se connecte dans une prise<br />
d’alimentation 120 VAC et peut varier la tension de 0 à 140 volts. Comme le transformateur<br />
principal a un facteur de transformation de cent et que nos condensateurs se chargent à la<br />
tension crête, alors l’autotransformateur ne doit pas dépasser 7.07 volts. Afin d’avoir plus de<br />
précision et de latitude dans l’ajustement de la tension de notre générateur, un autre<br />
transformateur sera ajouté entre le transformateur principal et l’autotransformateur. Ainsi, le<br />
transformateur ajouté abaissera la tension de notre autotransformateur d’un facteur 4.3.<br />
120 V AC<br />
Autotransformateur<br />
Transformateur<br />
Abaisseur<br />
120:28<br />
Transformateur<br />
éleveur<br />
120:12000<br />
Figure 5:Schéma bloc de l'alimentation du générateur<br />
Tension d’alimentation<br />
Du générateur de Marx<br />
En ce qui concerne l’alimentation des circuits de contrôle, deux transformateurs<br />
120/25VAC sont mis en séries afin d’obtenir les 50 volts voulus au circuit de déclenchement. Le<br />
relais, quant à lui, est alimenté à 25 VAC en utilisant la tension milieu de chacun des<br />
transformateurs.<br />
120 Vac<br />
25 Vac<br />
Figure 6: Branchement des transformateurs de contrôle<br />
9
Résistances<br />
Pour ce qui est des résistances, la méthode suivante a été utilisée pour leur<br />
dimensionnement :<br />
Puisqu’on sait que la capacité de choc (C1) est de 0,1 µF et la capacité de charge<br />
(C2) de 10 nF, on peut déterminer les valeurs des résistances R1 et R2 à l’aide du temps<br />
de front de 1,2 µs et de queue de 50 µs ainsi que de l’abaque suivante :<br />
(Voir abaque en annexe figure 50)<br />
Puisque dans notre cas le temps de queue sur le temps de front (T2/T1) est de 41,67, si<br />
on regarde sur l’abaque où cette valeur se situant sur l’axe en ordonnée coupe la courbe de<br />
foudre (T2/T1), on obtient une valeur α de 6,7.<br />
On peut ensuite déterminer la valeur du rapport T2/θ avec cette valeur de α avec<br />
le même abaque, puis on peut trouver la valeur de θ.<br />
On utilise ensuite les trois formules suivantes pour dimensionner les résistances<br />
de notre montage :<br />
Pour ce qui est des résistances de charge (R ’ 1 et R10), on les dimensionne pour qu’elles<br />
soient de 8 à 10 fois la valeur de la résistance R ’ r.<br />
Pour la résistance de sortie Rs, on la dimensionne pour avoir une efficacité<br />
maximale, dans notre cas on obtient ce rendement maximal avec une résistance de 5kΩ.<br />
Cependant, puisque la puissance que devra dissiper cette résistance sera assez importante, on<br />
placera 4 résistances de 1300Ω pouvant dissiper 1 watt pour une résistance totale 5200Ω qui se<br />
partageront ainsi la puissance à dissiper.<br />
10
Condensateurs<br />
Au niveau des condensateurs, ceux utilisés pour emmagasiner l’énergie qui sera<br />
transmise par la suite ont été dimensionnés selon la formule d’énergie suivante :<br />
Dans notre cas, l’énergie (W) que l’on veut accumulée est de 0,05J sous une tension de<br />
1kV. Il est alors possible de déterminer facilement la valeur de la capacité à utiliser. Pour ce qui<br />
est de la capacité Cb qui est en fait la capacité de l’objet, soit de l’eau dans notre cas, car les<br />
électrodes sont immergées dans un bac rempli d’eau afin de créer une onde de pression, le<br />
calcul se fait à l’aide de la formule suivante :<br />
Où ε est la permittivité électrique, S est la surface, soit celle des électrodes et d la<br />
distance entre les électrodes.<br />
11
Transmission d’énergie<br />
Les puissances électriques pulsées sont utilisées dans plusieurs domaines. Tout<br />
dépend de l’application, ceux-ci nécessitent dans tous les cas une énorme puissance,<br />
mais pas obligatoirement de fortes énergies. En effet, en relation avec le graphique cidessous,<br />
la puissance de base nécessaire est de 10 kW et peut varier jusqu’à 1 GW. Pour<br />
ce qui est de l’énergie, on peut procéder de la stérilisation médicale à partir de 8 joules,<br />
mais par contre le traitement de déchets nucléaires nécessite 8 MJ.<br />
Figure 7: Applications des puissances pulsées<br />
Il faut par contre préciser que lors de procéder nécessitant jusqu’à 100 MW, cette<br />
puissance n’est pas nécessairement emmagasinée dans les condensateurs. Puisqu’on sait que la<br />
puissance est de l’énergie par unité de temps, si cette énergie emmagasinée est restituée plus<br />
rapidement qu’elle a été accumulée; la puissance fournie sera multipliée par le facteur de temps<br />
entre la restitution et l’emmagasinement. Ce principe est démontré visuellement sur la figure<br />
suivante.<br />
12
Redresseur double alternance<br />
Figure 8: Principe de la production de puissance pulsée<br />
La tension de sortie du transformateur 120/12000 volts est une tension alternative. La<br />
charge de nos condensateurs doit être faite à une tension continue. Afin de transformer la<br />
tension alternative en une tension continue, un redresseur double alternance sera nécessaire.<br />
Comme on peut le remarquer à la figure 2, le redresseur se compose seulement de<br />
quatre diodes. Le redresseur redresse l’alternance négative afin d’avoir un signal DC.<br />
Tension<br />
Entré<br />
Temps<br />
+<br />
-<br />
D1 D2<br />
D3 D4<br />
Figure 9: Schéma <strong>d'un</strong> redresseur double alternance<br />
Tension<br />
sortie<br />
13<br />
Temps
Lors de l’alternance positive de la tension alternative d’entrée, les diodes D1 et D4<br />
conduisent tandis que les diodes D2 et D3 sont bloquées. En effet, comme la tension est la plus<br />
positive à leurs bornes, les diodes D1 et D4 conduisent. Lors de l’alternance négative, les diodes<br />
D4 et D1 sont bloquées, mais les diodes D2 et D3 sont passantes, car la tension est négative à<br />
leurs bornes. Ainsi, l’alternance négative est redressée.<br />
Afin de dimensionner les diodes, chaque diode doit être capable de maintenir à ses<br />
bornes la tension maximale d’entrée.<br />
Lors de notre conception, nous voulons avoir une tension de sortie de 1000 volts crête.<br />
En effet, les condensateurs se chargent à la tension crête et non efficace. Afin de concevoir nos<br />
diodes de notre redresseur, celle-ci doit être capable de maintenir à ces bornes au moins la<br />
tension crête d’alimentation.<br />
Thyristors<br />
Les thyristors devront supporter une tension d’alimentation de 1 kV à leur borne<br />
ainsi qu’un courant autour de 20A lors de la décharge des condensateurs. Pour ces valeurs de<br />
courant et de tension, il n’y a aucun problème, car on a trouvé des thyristors pouvant supporter<br />
chacun une valeur de 1,2 kV et un courant supérieur à celui-ci, ce qui fait qu’on aura besoin de<br />
10 thyristors de ce type. Cependant, il faudra les déclencher avec un synchronisme exemplaire,<br />
ce qui sera expliqué dans une autre section.<br />
Électrodes<br />
En ce qui a trait aux électrodes, après avoir effectué plusieurs recherches à ce<br />
sujet, elles seront faites d’acier inoxydable qui devrait résister aux nombreux chocs ainsi qu’à la<br />
température élevée qui sera atteinte dû au claquage. On s’est basé sur des générateurs<br />
expérimentaux qui ont déjà fait leurs preuves pour déterminer cette caractéristique.<br />
La distance inter-électrode a été déterminée afin d’être certain qu’il y est<br />
claquage, c’est pourquoi on a choisi de les placer à une distance de 1 mm. On s’est aussi référé à<br />
des travaux portant sur d’autres montages réalisés. De plus, puisque le claquage dans l’air se<br />
produit autour de 30 kV par centimètres, avec une valeur de claquage dans l’eau inférieure à<br />
cette dernière et une distance très courte, on est certain que tout se produira comme on le<br />
souhaite.<br />
14
La forme de l’électrode de haute tension a été choisie selon la théorie de l’effet<br />
de pointe qui permet d’accentuer la valeur de la tension. À l’aide des formules suivantes, il est<br />
possible de déterminer la valeur de cette amplification (β) de tension :<br />
Les dimensions de cette électrode ont été choisies afin de respecter la forme de la figure<br />
ci-dessous. On a choisi une hauteur (h) de 30 mm et une largeur (w) de 7 mm, ce qui donne un<br />
rayon de 3,5 mm pour la pointe.<br />
o<br />
E<br />
Figure 10: Principe de l'effet de pointe<br />
Pour ce qui est de l’électrode de basse tension, sa forme importe peu, donc ce sera<br />
uniquement un plan.<br />
p<br />
w<br />
E<br />
h<br />
15
Propagation de la décharge électrique<br />
Le schéma ci-dessous représente la propagation de la décharge électrique subsonique à<br />
travers les bulles de gaz, qui dans ce cas est l’air, de l’électrode de haute tension à celle de la<br />
masse.<br />
Figure 11:Schéma <strong>d'un</strong>e décharge électrique subsonique<br />
Dès que l’énergie emmagasinée par les condensateurs est délivrée, cette<br />
dernière sert principalement à chauffer l’eau qui se trouve au voisinage de l’électrode de haute<br />
tension, du fait de la géométrie de celle-ci. Il y a alors création d’une bulle de gaz, soit de la<br />
vapeur d’eau, près de la pointe où on retrouve un champ électrique assez élevé, soit supérieur<br />
au claquage de l’air contenu dans la bulle d’air formée. D’après la théorie, de la lumière<br />
ultraviolette et infrarouge émane de l’arc créé par le claquage du diélectrique, ce qui signifie<br />
que les températures ainsi atteintes sont assez grandes pour chauffer l’intérieur de la bulle ainsi<br />
que son pourtour, ce qui permet alors de créer de nouvelles bulles. L’arc électrique est alors<br />
reporté à l’extrémité de l’autre bulle et peut ainsi continuer de se propager jusqu’à atteindre<br />
l’électrode à la masse. Une telle propagation est lente et la tension décroît au fil du temps. Ce<br />
qui entraîne deux conséquences possibles lors de ce phénomène :<br />
Soit il n’y a pas assez de tension, ou d’énergie, afin que d’obtenir des claquages et<br />
la formation de nouvelles bulles, alors le phénomène arrête.<br />
Soit le phénomène se propage jusqu’à atteindre le plan (l’électrode à la masse) et<br />
il y a rupture diélectrique complète du milieu.<br />
16
Thyristor<br />
Puisque le générateur de Marx sera construit en utilisant comme commutateur le<br />
thyristor, il doit donc de mise d’introduire celui-ci et son fonctionnement de base. En premier<br />
lieu, le thyristor a comme abréviation d’origine SCR signifiant : Silicon Controlled Rectifier. Bref,<br />
celui-ci est composé de silicium dopé et agit à la manière d’une diode contrôlée. Similairement à<br />
la diode, le courant qui peut le traverser est unidirectionnel et va de l’anode à la cathode. Par<br />
contre, il est formé de quatre couches soit deux fois le nombre de couches d’une diode, tel<br />
qu’on peut le voir à la figure suivante :<br />
Figure 12:Schéma des jonctions PN et des pattes du thyristor<br />
De plus, ces multiples couches lui fournissent une électrode supplémentaire, la gâchette<br />
(gate), qui elle sert à contrôler la fermeture du thyristor. Mais, s’il est polarisé de façon à<br />
obtenir une tension négative à l’anode par rapport à la cathode, le thyristor sera tout de même<br />
bloqué. Afin de le faire entrer en conduction, il est nécessaire de consulter la fiche technique du<br />
thyristor en question, dans le but de connaître son courant de maintien et d’amorçage. Tout<br />
d’abord, son courant d’amorçage indique le courant minimal qui devra être injecté dans la<br />
gâchette pour que celui-ci se mette à conduire. On peut facilement expliquer ce phénomène à<br />
l’aide de son schéma en BJT (Bipolar Junction Transistor).<br />
Figure 13:Schéma en BJT du thyristor<br />
Comme on peut le voir ci-après, le courant de<br />
gâchette contrôlera la zone d’opération du second<br />
transistor, pour ainsi l’amener en région active et du<br />
même coup permettre un courant allant de l’anode à la<br />
cathode.<br />
17
Ce courant d’amorçage peut être sous la forme d’un simple pulse de quelques fractions<br />
de secondes puisqu’une fois la gâchette enclenchée, la conduction du thyristor ne dépend plus<br />
de celle-ci. Pour conserver cette conduction, il faut par la suite s’assurer que le courant<br />
traversant le SCR ne descend pas en bas du seuil permis, fixé par le courant de maintien. Ce<br />
courant est aussi une caractéristique du thyristor qui est fournie dans sa fiche technique. On<br />
peut à l’aide d’un circuit en parallèle contrôler le temps de conduction. Ce sujet sera d’ailleurs<br />
traité prochainement.<br />
Figure 14:Représentation électronique du thyristor<br />
Circuit d’Aide à La Commutation (CALC)<br />
Ce circuit, composé d’une résistance en série avec un condensateur, est mis en parallèle<br />
avec le thyristor afin d’atténuer les effets néfastes d’une soudaine variation de la tension à ces<br />
bornes. En effet, lorsque la gâchette reçoit le signal<br />
de déclenchement, le thyristor qui était<br />
précédemment à l’état bloqué, se met subitement à<br />
conduire causant ainsi un risque d’autodestruction<br />
dû aux fortes variations de tension. De plus, le circuit<br />
d’aide à la commutation peut servir à contrôler<br />
l’ouverture du thyristor par le dimensionnement<br />
approprié de ces composantes RC, provoquant ainsi<br />
son blocage. Afin de bien concevoir le CALC, il est<br />
nécessaire de suivre une série d’étapes de<br />
compréhension.<br />
Figure 15:Schéma électrique <strong>d'un</strong> circuit de snubber<br />
18
On commence au départ en état fermé donc, VThy = 0 puisqu’il conduit.<br />
Du même coup, VRs + VCs = VThy = 0<br />
On définit donc, que VRs = Rs*is et is = C*dVc / dt<br />
On remplace ces valeurs dans la première équation : RC* dVc / dt + VCs = 0<br />
En régime permanent cette équation différentielle devient : VCs = E*exp(-t/RC)<br />
De plus, connaissant is = -E/R*exp (-t/RC) on effectue la loi des nœuds pour obtenir la<br />
formule finale du courant traversant le transistor.<br />
L’objectif d’une ouverture rapide est d’obtenir < rapidement.<br />
Détermination de la résistance Rs :<br />
Pour déterminer la valeur de résistance nécessaire, on fixe le courant du thyristor voulu<br />
lorsque celui-ci vient d’être commuté en fermeture(t s’approche de 0+). Puisqu’ une fonction<br />
exponentielle est égale à 1 lorsque son exposant égal zéro, on obtient :<br />
Où seule Rs n’est pas connue.<br />
Détermination de la capacité Cs :<br />
Afin de trouver cette valeur, on fixe dans l’équation de départ la valeur du temps à<br />
laquelle on veut que le courant de maintien soit atteint. On aura donc Cs comme seul inconnu.<br />
Donc, considérant qu’en augmentant la valeur du temps, l’exponentielle diminue, on tend à se<br />
rapprocher de la valeur seuil du courant de maintien qui une fois dépassée fera commuter en<br />
ouverture le thyristor.<br />
19
Figure 16:Graphique du courant à travers le thyristor<br />
Il est à noter que notre prototype sera dimensionné dans les calculs en annexe.<br />
Circuit de déclenchement des thyristors<br />
Le déclenchement des thyristors de notre générateur s’effectue à l’aide de tores. Le type<br />
de tores utilisés est fait de ferrite dont deux enroulements seront enroulés autour de celui-ci. Le<br />
premier enroulement est connecté au circuit d’impulsion et le deuxième au thyristor.<br />
Générateur<br />
d’impulsion<br />
Figure 17: Principe d'amorçage des thyristors<br />
Le premier enroulement est constitué d’un câble passant à l’intérieur du tore. Dans ces<br />
conditions, on dit que le premier enroulement possède un tour. Le câble utilisé au niveau du<br />
primaire est un câble isolé à 25 kV. Initialement, l’utilisation de ce câble était nécessaire, car on<br />
avait prévu d’effectuer une installation o
étage et le câble serait de 10 kV. On s’assurait que le câble était bien isolé et aucun court-circuit<br />
ne serait possible. Lors de l’installation, ce câble a été installé de façon à être plus distant de la<br />
décharge.<br />
Le deuxième enroulement sera constitué de cinq tours. Les terminaisons de<br />
l’enroulement sont connectées à la gâchette et à la cathode du thyristor. Lors de la conception<br />
du tore, il faut s’assurer que le courant envoyé à la gâchette du thyristor sera suffisant afin de le<br />
faire déclencher et que la tension entre la cathode et la gâchette a atteint le seuil minimal de la<br />
fiche technique du SCR.<br />
Lorsque l’on doit choisir un tore, plusieurs paramètres doivent être pris en considération<br />
dont le matériau et la dimension. En effet, tout dépendant du matériau, la densité de flux<br />
magnétique sera plus ou moins élevée. Lorsque l’on travail avec un tore, il est primordial de<br />
s’assure que l’on travail dans la zone linéaire de sa courbe de magnétisation et non dans sa zone<br />
de saturation. Au niveau de son dimensionnement, le tore doit être suffisamment gros afin que<br />
l’on puisse bobiner autour de celui-ci et que notre fil de 25 kV puisse passer à travers de celui-ci.<br />
Afin de déterminer si le tore choisi fonctionnera dans sa zone de saturation, il sera<br />
nécessaire de calculer la densité de flux magnétique maximale dans notre zone d’opération et<br />
de comparer avec la valeur théorique de la densité de flux magnétique maximal du matériau en<br />
question. En effet, il est rare que le fabricant du tore indique la densité de flux magnétique<br />
maximale. Le type de tore choisi est circulaire et en ferrite. La valeur théorique de la densité de<br />
flux magnétique maximale est de 100 à 500 mT pour une fréquence de 60 hertz. Dans notre cas,<br />
la fréquence à laquelle nous opérons le tore en question est beaucoup plus élevée. Il est<br />
nécessaire de convertir notre impulsion en une fréquence afin de comparer notre valeur de<br />
densité de flux à la valeur théorique.<br />
Afin de convertir la durée de l’impulsion en fréquence pour que l’on puisse savoir si<br />
notre tore est en saturation, la formule utilisée est la suivante :<br />
Il est indispensable de déterminer le temps monté de notre impulsion. L’impulsion qui<br />
sera envoyée au tore par l’entremise du câble 25 kV sera générée à l’aide d’un condensateur.<br />
Voici à la figure l’allure de l’impulsion.<br />
21
Tension<br />
Temps Monté<br />
Temps<br />
Figure 18:Allure de l'impulsion de déclenchement<br />
En connaissant le temps monté de l’impulsion, nous connaissons la fréquence<br />
équivalente de notre impulsion et il est possible de déterminer la densité de flux puis comparer<br />
avec les valeurs théoriques à 60 hertz de notre ferrite. La formule utilisée afin de déterminer la<br />
densité de flux magnétique est la suivante :<br />
Les paramètres connus sont la tension de sortie à l’enroulement secondaire, le nombre<br />
de tours du premier et second enroulement et du courant minimal nécessaire au second<br />
enroulement. Afin d’activer notre thyristor, nous devons avoir une tension entre la gâchette et<br />
la cathode d’au moins 3,5 volts et un courant minimal de 100 mA. À partir de la relation<br />
suivante, on peut déterminer la tension qui doit être appliquée au primaire.<br />
Comme il risque d’avoir des pertes dues à la résistance des bobines et du câble, nous<br />
avons surdimensionné la tension de notre impulsion à envoyer.<br />
22
Le système de déclenchement<br />
Le système de déclenchement sera utilisé afin d’envoyer l’impulsion nécessaire à travers<br />
les tores de ferrite afin de déclencher nos thyristors. Comme on peut voir à la figure 18,<br />
l’impulsion sera générée par un condensateur.<br />
Figure 19: Circuit de déclenchement<br />
Notre circuit de déclenchement sera alimenté à l’aide de deux transformateurs 120:24<br />
volt Ac où ceux-ci sont connectés en série afin d’avoir une tension de sortie plus élevée. Un<br />
redresseur double alternance sera utilisé afin de redresser la tension, car il est nécessaire de<br />
charger notre condensateur à une tension continu. La résistance R1 est utilisée afin de charger<br />
le condensateur C1 qui produira l’impulsion. Le thyristor TIC126 est l’interrupteur de notre<br />
circuit. Ainsi, lorsque celui-ci est activé, le condensateur se décharge à travers celui-ci et fournit<br />
l’impulsion nécessaire à travers le câble de 25 kV.<br />
Il y aura deux méthodes pour amorcer le thyristor, une méthode manuelle et<br />
automatique. La méthode manuelle consiste à actionner un interrupteur qui fournira le courant<br />
nécessaire à la gâchette du thyristor. La méthode automatique se fera à l’aide d’un FPGA et sera<br />
discutée ultérieurement. Deux diodes seront insérées à la sortie de notre montage. Une des<br />
diodes sera mise à la masse servira comme diode de roue libre et la seconde sert à bloquer les<br />
courants inverses.<br />
23
FPGA<br />
Le FPGA, « field-programmable gate array » ou en français réseau de portes<br />
programmable, est un circuit intégré logique qui peut être reprogrammé après sa fabrication. En<br />
effet, celui-ci possède de quelques milliers à quelques millions de portes logiques qui sont<br />
connectés entre elles par une matrice de routage configurable. Ainsi, elle permet la<br />
reconfiguration à volonté du composant.<br />
La programmation la plus répandue du FPGA est le VHDL et le Verilog. Lors de notre<br />
programmation du FPGA, nous allons utiliser la programmation en bloc logique. Cette<br />
programmation est beaucoup plus simple et rapide à programmer que le langage de bas niveau<br />
du VHDL. Le compilateur Xillinx compilera par la suite la programmation bloc logique en VHDL.<br />
Le FPGA choisi est le modèle XC3S250E-4TQ144. Celui-ci possède plusieurs entrées<br />
sorties ainsi qu’une fréquence rapide de 100 MHz et une horloge interne de 10 nanosecondes.<br />
De plus, il possède 144 entrées sorties.<br />
Afin d’envoyer une impulsion de manière cyclique, une série de compteur et de<br />
comparateur est utilisée. On peut remarquer à la figure 19, la simulation de la programmation<br />
sur Matlab. Son fonctionnement est très simple, mais efficace. Un compteur compte et un<br />
comparateur va évaluer lorsque la valeur du compteur est plus grande que sa valeur de<br />
comparaison. Dans notre cas ici on a 200. Par la suite, lorsque la valeur est plus grande, un autre<br />
compteur sera activé et un autre comparateur va comparer la valeur du compte avec une autre<br />
valeur. Lorsque la relation sera positive, la sortie sera mise à un.<br />
Figure 20: Programmation du FPGA<br />
24
Figure 21:Rédultat des simulations sur MATLAB<br />
À l’aide du logiciel Matlab, la simulation a été simulée et ainsi on peut remarquer la<br />
durée de l’impulsion. Le premier graphique est le compteur principal. Le deuxième graphique<br />
est la sortie du premier compteur qui est la durée de notre impulsion de sortie. <strong>Final</strong>ement, le<br />
dernier est la remise à zéro afin qu’il puisse recommencer.<br />
Comme précisée plus haut, l’horloge interne du FPGA est très rapide. Chaque compte du<br />
FPGA est de 10 nanosecondes, ce qui veut dire que si l’on veut un temps d’attente d’une<br />
seconde sur notre premier compteur, la valeur qui devra être comparée est de 100 000 000. La<br />
sortie du FPGA possède une tension de 3.3 volts avec 36 mA. Comme ce signal est beaucoup<br />
trop petit pour déclencher le thyristor de notre circuit d’impulsion, il sera nécessaire d’amplifier<br />
ce signal. À la figure 22, un circuit a été conçu afin d’amplifier le signal. Celui-ci a été vérifié et il<br />
est fonctionnel.<br />
25
Signal TTL du<br />
FPGA<br />
10K<br />
10K<br />
4.7K<br />
NPN<br />
5v<br />
PNP<br />
Sortie<br />
GND<br />
Figure 22: Circuit d'amplification du signal du FPGA<br />
Le principe de ce circuit repose sur deux transistors BJTs d’un type différent qui assurent<br />
une protection au niveau de notre FPGA. La configuration de ces deux BJT est appelée<br />
complémentaire de Darlington et a un avantage de provoquer une chute de tension de 0,6 volts<br />
contrairement au circuit de Darlington classique qui est de 1.2 volts. Lorsque le signal du FPGA<br />
est envoyé, le PNP se met à conduire et on a une tension à la sortie de 5 volts. Pour avoir le<br />
courant nécessaire, il suffit d’y insérer une résistance après la sortie.<br />
Structure du prototype<br />
Tout d’abord, on a réalisé une structure en bois sur roulettes afin de faciliter le<br />
déplacement du montage sur plexiglas du générateur et aussi pour faciliter le travail sur celui-ci<br />
ainsi que les tests. Les composantes du générateur ont été fixées sur une plaque plexiglas d’un<br />
quart de pouce afin d’avoir une isolation électrique entre les composantes et ainsi éviter que<br />
des arcs se produisent entre les pièces. On a d’abord schématisé le circuit entier sur le plexiglas<br />
afin de pouvoir déterminer la surface que prendra chaque étage, la disposition des pièces ainsi<br />
que le redresseur double alternance, tout en prenant en considération la longueur de 2,9 m de<br />
notre câble isolé à 25 kV qui doit traverser chacun des 10 tores. Les électrodes permettant la<br />
décharge sont fixées sur le côté de la plaque de plexiglas, le long de la structure en bois. Le<br />
circuit de déclenchement des thyristors ainsi que celui de commutation du relais ont été soudés<br />
sur une plaque de plexiglas et fixés au centre de la structure de bois, sous le générateur.<br />
L’alimentation de ces deux circuits se fait à l’aide de deux transformateurs 115/25V connectés<br />
en série et fixés près du centre du montage au-dessus des roulettes. L’alimentation du<br />
générateur provient d’un transformateur 120/12000V que l’on régule à l’aide d’un<br />
26
autotransformateur (0 à 140V) qui permet alors de fournir la tension de 1 kV que l’on a besoin à<br />
chaque étage et le tout est fixé sur une plaque de plexiglas et placé au dessus des roues, en<br />
dessous du redresseur double alternance. Une prise DDFT est fixée sur un des piliers vers<br />
l’intérieur de la structure, au-dessus de l’autotransformateur.<br />
Mesure haute tension<br />
Puisque la haute tension délivrée par le générateur lors de la décharge ne peut être<br />
mesurée par un voltmètre standard, il est donc de mise de mesurer cette tension par<br />
l'intermédiaire <strong>d'un</strong> diviseur capacitif. Il est préférable d'avoir recourt au diviseur capacitif qu'au<br />
diviseur résistif puisque celui-ci permet de minimiser les pertes d'énergies. Le schéma de<br />
montage ressemble à la figure suivante :<br />
Figure 23:Diviseur capacitif<br />
En procédant au dimensionnement correct des deux condensateurs en série, on peut<br />
diminuer la tension aux bornes de C2 et ainsi obtenir une tension mesurable par un oscilloscope<br />
quelconque.<br />
27
Oscilloscope<br />
Afin de vérifier que les temps de montée et de descente respectaient ceux d’un choc de<br />
foudre, on a utilisé un oscilloscope Tektronix TDS 2022B comme outils de visualisation. Puisque<br />
l’onde propagée à la sortie est ultra rapide, il fallait calibrer correctement l’oscilloscope dans le<br />
but de capturer seulement l’image voulue.<br />
Figure 24: Oscilloscope Tektronix<br />
La marche à suivre pour capturer cette image est fort simple. Une fois l’appareil mis en<br />
marche, il suffit d’appuyer sur le bouton ‘Trig menu’ et ajuster de façon suivante :<br />
Type : Front Pente : Montante Source : CH1<br />
Mode : Normale Couplage : CC<br />
Puis, il faut régler au niveau approprié les boutons ‘trigger level’, Volts/Div et Sec/Div.<br />
Une fois ceci fait, l’oscilloscope sera fin prêt à se déclencher lorsque le bouton ‘Single seq’ aura<br />
été pressé. Une fois l’impulsion envoyée, celle-ci est captée par l’appareil de mesure et toutes<br />
les informations nécessaires de cette onde se retrouvent dans les mesures tel que le temps de<br />
monter et la valeur maximale.<br />
Sonde 1000X P6015<br />
Cette sonde, compatible avec l’oscilloscope précédent, permet de diminuer d’un facteur<br />
1000 la tension mesurée, permettant ainsi de préserver l’appareil. Cette sonde vient avec une<br />
boîte de compensation qui n’a d’ailleurs pas été modifiée puisqu’elle était déjà entièrement<br />
calibrée. Grâce à cette sonde, il a été possible d’acquérir la forme de l’onde directement aux<br />
bornes de l’arc, ce qui nous assure une véracité indiscutable.<br />
28
Mesures de protection<br />
Dans le domaine de la haute tension, les phénomènes électriques ne sont pas les mêmes<br />
qu’en basse tension, mais surtout, les circuits doivent comprendre de multiples mesures de<br />
protection afin de conserver intact non seulement l’équipement, mais aussi l’utilisateur. Il a<br />
donc fallu lors du présent montage, ajouter quelques pièces pour surveiller si les condensateurs<br />
sont chargés et pour empêcher la tension de devenir trop élevée aux bornes du thyristor.<br />
Protection au condensateur<br />
Après la décharge, les condensateurs recommencent immédiatement à se charger. Il est<br />
donc pratiquement impossible de stopper l’expérimentation et d’espérer que les condensateurs<br />
soient totalement déchargés. Donc, comme le montre le circuit ci-dessous, on placera en<br />
parallèle avec le condensateur du premier étage un témoin lumineux en série avec une<br />
résistance qui sera activé par un relais. Ainsi, lorsque le relais sera passant, tous les<br />
condensateurs pourront se décharger par cette branche. Une fois la décharge terminée, la<br />
lampe va tout simplement s’éteindre, nous indiquant de ce fait la sureté du circuit.<br />
Lampe témoin<br />
Thyristor<br />
Figure 25: Circuit de protection<br />
Varistance<br />
29
Protection du thyristor<br />
S’il advient un problème lors de la fermeture simultanée des thyristors et que l’un de<br />
ceux-ci n’entre pas en conduction, celui-ci sera soumis à une tension multiplicative par rapport<br />
au nombre d’étages précédemment déclenché. Ceci aurait pour cause de griller instantanément<br />
ce thyristor. Pour contrer ce genre de défaut, les thyristors seront protégés par une varistance<br />
mise en parallèle avec chacun d’eux. Le principe de la varistance est simple, celle-ci à une<br />
résistance variable selon la tension vue à ces bornes. À basse tension, la résistance vue est très<br />
grande donc aucun courant n’y circule, mais lorsque la tension s’approche de celle que l’on ne<br />
veut pas dépasser, la varistance commence progressivement à conduire puisque sa résistance<br />
diminue, et ce, jusqu’à une valeur pratiquement nulle. Toutes les gammes de tension sont<br />
disponibles sur le marché. Il suffit de sélectionner la tension à laquelle on veut que cette<br />
dernière entre en conduction. Il est présenté ci-dessous l’allure idéale de la courbe couranttension<br />
d’une varistance.<br />
Figure 26: Courbe idéale courant-tension <strong>d'un</strong>e varistance<br />
30
Prise DDFT<br />
Une prise à disjoncteur de fuite à la terre<br />
(DDFT) permet de réduire les possibilités de chocs<br />
électriques et d’électrocution. Une telle prise est<br />
uniquement conçue pour protéger des chocs<br />
électriques si le courant fuit à la terre. Elle vérifie<br />
ainsi l’intensité du courant qui sort par le fil noir et<br />
celle qui revient par le fil blanc. S’il y a une<br />
différence de courant entre les deux fils, la prise<br />
déduit qu’une partie du courant s’échappe par une<br />
autre voie et elle se déclenche.<br />
Le principe interne de fonctionnement est plutôt simple. Il comporte un circuit<br />
magnétique en forme de tore où sont bobinés les circuits phase et neutre (fil noir et fil blanc)<br />
comme on peut le voir sur la figure ci-dessous. Lorsqu’il n’y a fuite ou de courant résiduel de<br />
défaut, le flux créé par chacune des bobines s’annule et rien ne se produit. Si un défaut survient,<br />
le courant de fuite produit un déséquilibrement des flux des bobines et un flux magnétique<br />
apparaît dans le tore. Une force électromotrice se produit alors dans la bobine de détection qui<br />
alimente l’électro-aimant et qui provoque l’ouverture du disjoncteur.<br />
Figure 28: Fonctionnement prise DDFT<br />
Figure 27: Prise DDFT<br />
31
Étude des courants<br />
Lors de la conception de notre générateur de Marx, il est nécessaire d’étudier les<br />
courants lors de la charge et de la décharge de notre générateur. Cette étude nous permettra<br />
de dimensionner les pièces selon le courant qui circule dans chacune et la puissance qu’il faudra<br />
qu’elles dissipent. Une simulation à l’aide de Matlab sera effectuée afin de valider notre modèle<br />
théorique ainsi que les calculs.<br />
La charge<br />
Lors de la charge, les thyristors sont bloqués et les condensateurs se chargent à la<br />
tension appliquée aux bornes de l’alimentation. Comme, on peut remarquer sur la figure 13, les<br />
condensateurs seront chargés à 1000 volts. Lorsque les condensateurs sont chargés, ceux-ci<br />
deviennent un circuit ouvert et le générateur est en attente de l’impulsion aux gâchettes des<br />
thyristors afin de les mettre en conduction. Dans la figure suivante, les thyristors sont<br />
représentés par des éclateurs.<br />
DC<br />
1000 volts<br />
300 ohms<br />
1000 volts<br />
Étage 1 Étage 2 Étage 9 Étage 10<br />
300 ohms<br />
1000 volts<br />
60 ohms 3.9 ohms<br />
300 ohms<br />
60 ohms<br />
1000 volts<br />
300 ohms<br />
3.9 ohms 60 ohms 3.9 ohms 60 ohms 3.9 ohms<br />
Figure 29: Circuit électrique du générateur de Marx lors de la charge<br />
1000 volts<br />
5000 ohms<br />
32
La décharge<br />
Lors de la décharge, l’interrupteur au niveau de la source est ouvert et les éclateurs sont<br />
remplacés par un bout de fil, car les thyristors sont passants. À la figure 14, quelques étages ont<br />
été représentés afin d’alléger le dessin.<br />
DC<br />
1000 volts<br />
300 ohms<br />
1000 volts<br />
300 ohms<br />
60 ohms<br />
L’étude du dernier étage<br />
Étage 1 Étage 2 Étage 9 Étage 10<br />
1000 volts<br />
300 ohms<br />
1000 volts<br />
300 ohms<br />
3.9 ohms 60 ohms 3.9 ohms 60 ohms 3.9 ohms 60 ohms 3.9 ohms<br />
Figure 30: Schéma électrique du générateur de Marx lors de la décharge<br />
Commençons par étudier le dixième étage. Celui-ci est différent des autres et aidera à<br />
comprendre le principe de la propagation du courant. Voici l’étage numéro dix lorsqu’il est en<br />
conduction. La figure 15 est l’étage tiré de la figure 14 représentant le générateur de Marx dans<br />
son ensemble.<br />
Étage 10<br />
300 ohms<br />
1000 volts<br />
3.9 ohms<br />
60 ohms<br />
3.9 ohms<br />
Figure 31: Représentation du dernier étage du générateur<br />
5000 ohms<br />
1000 volts<br />
5000 ohms<br />
33
À la figure 16, on remarque le schéma équivalent de la figure 15.<br />
300 ohms<br />
1000 volts<br />
3.9 ohms<br />
60 ohms<br />
3.9 ohms<br />
Figure 32: Circuit équivalent du dernier étage du générateur<br />
Afin d’effectuer le schéma équivalent de cet étage, il est nécessaire de diviser la<br />
résistance de limitation de courant par le nombre d’étages, car celle-ci n’est pas vue seulement<br />
par cet étage. À la figure 17, on a les sens du courant circulant dans le circuit. Comme on le<br />
remarquer, lorsque le condensateur se décharge, on a un diviseur de courant avec les<br />
résistances de 300 et 5 ohms ainsi que l’autre groupe de résistance qui comprend les 60, 5, et<br />
500 ohms. Ainsi, une partie du courant de chaque condensateur contribue à l’étage inférieur de<br />
celui-ci mis à part le dernier étage.<br />
300 ohms<br />
I2<br />
3.9 ohms<br />
I1<br />
I3<br />
60 ohms<br />
I4<br />
3.9 ohms<br />
Figure 33:Schématisation des courants circulant ainsi que leur sens<br />
Voici les résultats obtenus lors du calcul des courants. Les calculs sont présentés en<br />
annexe.<br />
Tableau 1:Valeur des courants du dernier étage<br />
Courant Résultat (A)<br />
I5<br />
I1 21,94<br />
I2 3,29<br />
I3 18,65<br />
I4 16,66<br />
I5 1,76<br />
500 ohms<br />
500 ohms<br />
34
Le premier étage<br />
Voici le premier étage de notre générateur de Marx.<br />
300 ohms<br />
1000 volts<br />
Étage 1<br />
300 ohms<br />
60 ohms<br />
3.9 ohms<br />
Figure 34:Schéma du premier étage du générateur<br />
Celle-ci est différente de tous les autres étages à même titre que le dernier étage. Il est à<br />
remarquer que lorsque le condensateur se décharge, il n’y a aucun diviseur de courant. Donc, il<br />
se décharge dans le thyristor. Voici le schéma équivalent.<br />
v<br />
1000 volts<br />
60 ohms<br />
3.9 ohms<br />
Figure 35:Schéma équivalent du premier étage<br />
On peut remarque que l’étage supérieur envoie un courant qui entre dans le thyristor.<br />
Ainsi, comme à la figure 20, le courant I2 résulte de la somme du courant envoyé par l’étage<br />
supérieur et du courant de la branche du condensateur.<br />
I1<br />
I6 3.9 ohms<br />
I2<br />
I3<br />
60 ohms<br />
Figure 36:Schéma équivalent du premier étage avec le sens des courants<br />
I4<br />
500 ohms<br />
500 ohms<br />
35
Voici les résultats obtenus lors du calcul des courants. Les calculs sont présentés en<br />
annexe.<br />
Le deuxième étage<br />
Tableau 2:Valeur des courants circulant au premier étage<br />
Courant Résultat (A)<br />
I1 18,65<br />
I2 21,94<br />
I3 19,6<br />
I4 2,33<br />
Voici le deuxième étage. Cet étage est similaire à tous les étages sauf la première et la<br />
dernière. En effet, ces étage contribuent à l’étage inférieur et ont une contribution de l’étage<br />
supérieur.<br />
300 ohms<br />
1000 volts<br />
3.9 ohms<br />
300 ohms<br />
60 ohms<br />
3.9 ohms<br />
Figure 37:Schéma du deuxième étage du générateur<br />
Voici le schéma équivalent de cet étage à la figure 22.<br />
300 ohms<br />
1000 volts<br />
3.9 ohms<br />
60 ohms<br />
3.9 ohms<br />
Figure 38:Schéma équivalent du deuxième étage du générateur<br />
500 ohms<br />
36
À la figure 23, on peut remarquer que le courant sortant de la branche du condensateur<br />
est divisé et se sépare par les courants de I2 et I3. La contribution de I6 qui est le courant de<br />
l’étage supérieur est additionnée à I3, car on a un bout de fil.<br />
300 ohms<br />
I2<br />
3.9 ohms<br />
I1<br />
I6 3.9 ohms<br />
I3<br />
60 ohms<br />
I4<br />
Figure 39:Schéma équivalent du deuxième étage avec le sens des courants<br />
Voici les résultats obtenus lors du calcul des courants. Les calculs sont présentés en<br />
annexe.<br />
Tableau 3:Valeurs des courants circulant pour le deuxième étage<br />
Courant Résultat (A)<br />
I1 21,94<br />
I2 3,29<br />
I3 21,94<br />
I4 19,61<br />
I5<br />
I5 2,33<br />
I6 3,28<br />
500 ohms<br />
37
Simulation<br />
Afin de valider les calculs et notre modèle théorique, nous avons effectué une simulation<br />
à l’aide de Simulink qui est un outil du programme Matlab. Lors de cette simulation, la source<br />
utilisée est une source DC. En réalité, le générateur est alimenté à l’aide de trois<br />
transformateurs et un redresseur double alternance, mais lorsque l’on simulait à l’aide de la<br />
source réelle, des pertes à la sortie des transformateurs étaient visible et ne reflétait pas la<br />
réalité. De plus, nous ne connaissons pas les paramètres des transformateurs. En insérant une<br />
source DC comme alimentation lors de nos résultats, on s’assure que notre condensateur soit<br />
alimenté à 1000 volts sans aucune perte.<br />
Afin de simuler le contrôle de thyristors pour commuter notre générateur de Marx, nous<br />
avons mis des interrupteurs idéaux que l’on contrôle par un interrupteur manuel. La tension de<br />
sortie est mesurée aux bornes du condensateur. Ainsi comme dans Matlab on ne peut<br />
représenter une décharge, on mesure la tension produite de notre générateur par le<br />
chargement d’un condensateur.<br />
38
Figure 40: Banc d'essai<br />
39
Phase d’expérimentation préliminaire<br />
Le prototype étant composé de pièces assez dispendieuses, il était préférable de<br />
procéder à des essais à plus petite échelle, afin de s’assurer que le tout soit fonctionnel. Ces<br />
essais ont été effectués avec les véritables pièces du montage, mais certains facteurs tel que le<br />
courant de maintien étaient contrôlés.<br />
Déclenchement des thyristors<br />
Premièrement, il fallait d’abord faire fonctionner le circuit de déclenchement. Celui-ci a<br />
donc été monté sur une plaquette de prototypage. Les points à vérifier étaient dans l’ordre<br />
suivant :<br />
- Le condensateur doit se charger à la tension voulue.<br />
- Le thyristor doit être passant lorsque le bouton poussoir est pressé.<br />
- L’impulsion envoyée dans le fil 25kV doit être au minimum de 2,5V.<br />
Lors de ces tests, le thyristor du circuit de déclenchement n’entrait pas en conduction. Le<br />
problème a été réglé en doublant la tension fournie au condensateur, ainsi le courant<br />
d’amorçage nécessaire était atteint. L’impulsion étant maintenant fonctionnelle, le circuit<br />
suivant a été monté sur la plaquette pour tester le déclenchement des thyristors.<br />
Figure 41: Circuit de déclenchement des thyristors lors des phases préliminaires<br />
40
Initialement, les tores avaient été bobinés à 15 tours, mais lorsque ceux-ci sont en<br />
charge (connectés à la gâchette et la cathode), la tension de l’impulsion était insuffisante. Alors,<br />
les tours ont été réduits puisque 5 permettaient ainsi le déclenchement. Une fois ce test réussit,<br />
il a fallu s’assurer que le fait de mettre plus d’un thyristor en série n’allait pas empêcher ceux-ci<br />
de déclencher et ce test fut couronné de succès.<br />
Protocole d’essais<br />
Voici la procédure effectuée lors de chaque test du générateur :<br />
Tout d’abord, l’alimentation de chacune des parties est vérifiée, soit<br />
l’autotransformateur (tout en s’assurant que son interrupteur soit à la position OFF), les<br />
transformateurs du circuit de déclenchement et l’oscilloscope.<br />
On vérifie que le relais est ouvert afin de ne pas décharger par la résistance et qu’aucune<br />
composante non utilisée ne se trouve sur le générateur, ce qui pourrait causer des<br />
courts-circuits.<br />
On installe la sonde de mesure de l’oscilloscope à l’endroit où l’on veut mesurer, soit aux<br />
bornes des électrodes pour avoir la tension de sortie et la forme d’onde.<br />
On commence l’alimentation du transformateur à l’aide de l’autotransformateur, en<br />
positionnant son rhéostat à la position 0V avant de mettre l’interrupteur à la position<br />
ON.<br />
On alimente peu à peu le transformateur en augmentant la tension de sortie de<br />
l’autotransformateur.<br />
On vérifie au fur et à mesure la tension aux bornes de chacun des condensateurs avec le<br />
multimètre afin qu’ils se chargent tous correctement et pour ne pas dépasser la valeur<br />
de 1kV maximale pour chacun.<br />
On appuie sur le bouton poussoir pour envoyer l’impulsion de déclenchement lorsque la<br />
tension de charge voulue des condensateurs est atteinte et cela tout en prenant garde à<br />
la haute tension.<br />
Lorsque les tests sont terminés, on ferme le relais afin de décharger les condensateurs<br />
dans la résistance et on vérifie à l’aide du multimètre que chacun des condensateurs<br />
s’est bien déchargé.<br />
On ouvre ensuite le relais et on ferme l’alimentation des transformateurs et de<br />
l’autotransformateur.<br />
On vérifie à nouveau à l’aide du multimètre la tension aux bornes des condensateurs<br />
pour s’assurer qu’ils sont tous déchargés.<br />
41
Résultats<br />
Simulation<br />
Comparaisons des résultats théoriques et de simulation<br />
Tableau 4: Résultat du dernier étage<br />
Courant Résultat (A)<br />
I1 20.01<br />
I2 3.1<br />
I3 17.03<br />
I4 15.8<br />
I5 1.26<br />
Tableau 5:Résultat du premier étage<br />
Courant Résultat (A)<br />
I1 17.1<br />
I2 20.25<br />
I3 15<br />
I4 4.31<br />
Tableau 6: Résultat du deuxième étage<br />
Courant Résultat (A)<br />
I1 20.15<br />
I2 3.1<br />
I3 20.09<br />
I4 17.02<br />
I5 4.3<br />
I6 3.1<br />
42
Système de déclenchement<br />
Impulsion de sortie du générateur d’impulsion<br />
Figure 42: Résultat de l'impulsion de sortie du générateur d'impulsion<br />
43
Impulsion au secondaire du tore<br />
Figure 43: Résultat de l'impulsion au secondaire du tore<br />
44
Onde de choc<br />
Onde de choc à 10 kV<br />
Figure 44:Résultat de l'Onde de choc à 10 kV<br />
45
Onde de choc à basse tension<br />
Figure 45: Résultat de l'onde de choc à basse tension<br />
46
Tension de sortie à tension différente<br />
Tension (v)<br />
12000<br />
10000<br />
8000<br />
6000<br />
4000<br />
2000<br />
0<br />
Comparaison des résultats de tension de sortie<br />
0 1 2 3 4 5 6 7<br />
Numéro d'essai<br />
Figure 46: Résultat comparatif des sorties de tension du générateur<br />
Tension de sortie<br />
théorique<br />
Tension de sortie<br />
pratique<br />
47
Comparaison des résultats<br />
Étude des courants<br />
Tableau 7: Dernier étage<br />
Résultats (A)<br />
Courant Théorique Simulation Erreur (%)<br />
I1 21.94 20.01 8.80<br />
I2 3.29 3.08 6.38<br />
I3 18.65 16.97 9.01<br />
I4 16.66 15.7 5.76<br />
I5 1.76 1.23 30.11<br />
Tableau 8: Premier étage<br />
Résultats (A)<br />
Courant Théorique Simulation Erreur (%)<br />
I1 18.65 17.04 8.63<br />
I2 21.94 20.16 8.11<br />
I3 19.6 15.845 19.16<br />
I4 2.33 4.31 84.98<br />
Tableau 9: Deuxième étage<br />
Résultats (A)<br />
Courant Théorique Simulation Erreur(%)<br />
I1 21.94 20.09 8.43<br />
I2 3.29 3.08 6.38<br />
I3 21.94 20.09 8.43<br />
I4 19.61 15.8 19.43<br />
I5 2.33 4.3 84.55<br />
I6 3.28 3.08 6.10<br />
48
Essaie<br />
Tension sortie<br />
théorique(V)<br />
Tableau 10:Tension de sortie théorique vs pratique<br />
Tension sortie<br />
Pratique(V)<br />
Erreur (%) Efficacité (%)<br />
1 76 61.6 18.95 81.05<br />
2 1060 940 11.32 88.68<br />
3 2210 2080 5.88 94.12<br />
4 5139 4960 3.48 96.52<br />
5 7515 7200 4.19 95.81<br />
6 10000 8480 15.20 84.80<br />
Tableau 11: Tension de sortie théorique vs simulation<br />
Essaie Tension sortie théorique Tension sortie Simulation Erreur (%) Efficacité (%)<br />
1 76 63 17,11 82,89<br />
2 1060 878 17,17 82,83<br />
3 2210 1830 17,19 82,81<br />
4 5139 4256 17,18 82,82<br />
5 7515 6230 17,10 82,90<br />
6 10000 8296 17,04 82,96<br />
Tableau 12: Temps de montée et de descente de l’onde de choc<br />
Valeur Temps monté Temps de descente<br />
Théorique 1.2 +- 0.36 us 50 +- 10 us<br />
Pratique haute tension 353 ns 10 us<br />
Pratique basse tension 1.036 us 45 us<br />
49
Bilan des activités<br />
IV. 1 Arrimage formation académique/application pratique projet<br />
Le présent projet nous a permis d’utiliser des connaissances acquises lors de cours tel<br />
que dynamique des systèmes, pour ce qui est des calculs au niveau des circuits électriques<br />
(RLC). Les cours d’électronique nous aidé par rapport au fonctionnement des thyristors, de leur<br />
circuit de déclenchement, du dimensionnement des varistances servant de protection. Le cours<br />
d’électrotechnique fut d’une grande aide par rapport aux transformateurs, aux tores et aux<br />
calculs de puissance. Enfin, l’électronique de puissance a permis de dimensionner les<br />
redresseurs double alternances ainsi que leurs composantes.<br />
Nous avons beaucoup appris au niveau du générateur de Marx, puisqu’on n’avait aucune<br />
idée de ce que c’était avant de réaliser ce projet. On s’est familiarisé beaucoup plus avec<br />
l’oscilloscope et ses différentes fonctionnalités. De plus, on a acquis des méthodes de travail<br />
pour ce qui est de la haute tension ainsi que des dangers qui y sont reliés. C’est ce qui nous a<br />
permis de travailler beaucoup sur l’aspect sécurité.<br />
Une lacune que l’on trouve majeure au niveau de notre formation est de ne pas avoir le<br />
cours ingénierie de la haute tension comme un cours obligatoire et non optionnel au niveau du<br />
Baccalauréat en génie électrique. Le projet que l’on vient de réaliser est parfaitement étudié<br />
dans ce cours que plusieurs ne feront pas. Nous trouvons que du côté électronique, des<br />
composantes que l’on a utilisées lors de notre projet, tel les varistances et les thyristors sont<br />
peu étudiés lors des cours d’électronique.<br />
Travail d’équipe<br />
Honnêtement au niveau du travail d’équipe tout s’est parfaitement déroulé entre les<br />
coéquipiers. Il n’y avait pas vraiment de rôle attribué, il était décidé en équipe de ce qu’il y avait<br />
à faire et parfois des tâches étaient attribuées s’il le fallait. Tout le monde a mis la main à la pâte<br />
pour ce qui était de réaliser le montage, même si chacun avait un emploi cet été qui le rendait<br />
indisponible par moment. On a vraiment apprécié faire ce projet et on n’aurait aucun problème<br />
à en faire un autre ensemble.<br />
50
Respect de l’échéancier<br />
Tout d’abord, beaucoup de changements ont été apportés au niveau des dates des<br />
différentes tâches de l’échéancier. Cela s’explique par le fait que le fonctionnement du circuit de<br />
déclenchement des thyristors nous a causé beaucoup plus de problèmes que prévu. On a<br />
changé plusieurs fois d’idée au niveau de la méthode de déclenchement pour finalement<br />
trouver la bonne, mais seulement après avoir travaillé près d’un mois sur ce dernier. Cependant,<br />
malgré tout cela, on sera tout de même dans les temps.<br />
Les changements majeurs de l’échéancier se situent au niveau de tout ce qui se retrouve au<br />
mois de juin et juillet. La période de travail au niveau du circuit de déclenchement a été<br />
allongée de 35 jours jusqu’au 23 juillet. La commande des pièces du générateur s’est faite la<br />
semaine du 12 juillet, ainsi que la rédaction du rapport d’étape #2 qui a été remis le 23 juillet.<br />
Pour ce qui est de l’aspect sécurité qui a été apporté au montage, puisqu’il était important de<br />
réaliser le circuit de déclenchement, on s’est concentré plus sur ce point lorsque le circuit de<br />
déclenchement fut fonctionnel. Le montage du prototype s’est fait à partir du 26 juillet jusqu’au<br />
6 août au lieu d’être en juin, car les pièces ont été commandées la semaine précédente et il faut<br />
attendre leur réception. De plus, puisque le circuit n’a pas fonctionné du premier coup, il a fallu<br />
travailler quelques jours pour « déboguer » le montage. La phase de test s’est faite après avoir<br />
terminé le montage du prototype et qu’il fonctionne parfaitement, soit le 12 août. La rédaction<br />
du rapport final a débuté le 13 août et se poursuivra probablement jusqu’à sa date de remise,<br />
soit le 27 août. Le résumé a été débuté le 13 août et terminé le 16 août. <strong>Final</strong>ement, la<br />
préparation à la présentation a été commencée le 13 août et elle se poursuivra jusqu’à la<br />
présentation, soit le 25 août.<br />
51
Analyse et Discussion<br />
En premier lieu, les résultats de la simulation et des calculs théoriques sont généralement<br />
similaires. En effet, on peut remarquer que le calcul du courant sortant de la branche du<br />
condensateur est analogue. En ce qui concerne le courant qui est fourni à l’étage inférieur et le<br />
courant passant dans le thyristor, celui-ci est le même. La différence au niveau des calculs<br />
théoriques et des résultats des simulations est au niveau des courants circulant dans la 60 ohms<br />
et le courant circulant dans la 5 ohms. Comme le courant du thyristor est divisé entre les deux<br />
branches, il est normal que les deux résultats soient différents que ce soit dans les calculs<br />
théoriques ou de la simulation, car la valeur est dépendante l’une de l’autre. De notre part,<br />
l’erreur est peut-être résultante de la branche possédant la 60 ohms. Il se peut que le circuit<br />
voie une résistance équivalente différente. Comme le circuit est complexe, nous avons<br />
dimensionné les valeurs des résistances avec celles qui sont les plus élevées. Ainsi, afin de<br />
dimensionner la résistance limitant le courant, nous avons utilisé la valeur déterminée en<br />
théorie, car elle est plus élevée que celle de la simulation. Pour dimensionner la valeur de 60<br />
ohms et de 5 ohms, la valeur de simulation a été utilisée, mais même en utilisant la valeur<br />
calculée, la tension à ses bornes ne dépasse pas la tension maximale.<br />
De plus, la simulation ne tient pas compte de plusieurs paramètres tels que la résistance de<br />
fuite des condensateurs. Le programme employé permet d’utiliser des condensateurs sans<br />
pouvoir insérer des paramètres qui sont propres à nos pièces. Si dans le modèle utilisé du de ce<br />
dernier, celui-ci possède une valeur de résistance de fuite basse et qu’une haute résistance de<br />
charge est insérée à l’entrée du générateur afin de charger les condensateurs lentement, un<br />
diviseur de tension sera produit et les condensateurs ne seront pas charger à la tension d’entré.<br />
En second lieu, un des défis que le projet comportait était de générer la fermeture de<br />
multiples thyristors simultanément. Pour ce faire, la méthode choisie consistait à induire un flux<br />
à travers un circuit magnétique soit un tore circulaire qui nous permettrait d’induire une tension<br />
au secondaire suffisante au déclenchement de nos commutateurs. Cette technique nous<br />
permettait de disposer d’une isolation galvanique entre le circuit de commande et de puissance.<br />
Pour y arriver, le soi-disant circuit de déclenchement devait fournir au primaire des tores une<br />
impulsion de tension suffisante qui varie dans le temps pour obtenir une induction. Cette étape<br />
fut un grand succès, car l’onde émise permettait un déclenchement de tous les thyristors à tous<br />
les coups sans exception. En effet, l’impulsion au secondaire du tore possède toujours les<br />
caractéristiques nécessaires à la commutation du SCR.<br />
53
En troisième lieu, l’objectif ultime était de réaliser une onde de choc possédant les<br />
caractéristiques d’un choc de foudre. Bien sûr, les premiers essais ont été effectués à basse<br />
tension. Comme on peut le remarquer par les résultats fournis, le choc de foudre à 128V<br />
respecte la norme IEEE. Selon la définition, celui-ci comporte un temps de monté de 1,2 ±<br />
0,36 µs et un temps de queue de 50 ± 10 µs, ce qui confirme nos résultats en basse tension. Par<br />
contre, lorsque la tension s’élève au-delà de 2 kV les caractéristiques obtenues s’éloignent de<br />
plus en plus de la norme à respecter. Lorsque la tension atteint 10 kV, on obtient une onde qui<br />
varie beaucoup trop rapidement dans les environs de 4 kV et plus. On explique ceci par la<br />
technologie de nos résistances qui n’ont pas été conçues pour de telles expériences. En réalité,<br />
faute de budget, on a utilisé pour le prototype les résistances disponibles au laboratoire qui<br />
sont parmi les plus bas de gamme. Il aurait été possible de se procurer des résistances plus<br />
dispendieuses, par exemple des résistances bobinées, qui sont conçues à l’aide d’un fil de cuivre<br />
qui permet de chauffer sans briser la résistance et sans changer sa valeur. Il faut tout de même<br />
admettre que l’objectif étant d’obtenir un choc de foudre à haute tension, seule la haute<br />
tension a été obtenue, et ce, avec une efficacité excellente. On peut aussi expliquer les mauvais<br />
résultats au niveau de l’onde par le retrait du diviseur capacitif qui avait été tenu en compte lors<br />
des calculs du générateur.<br />
<strong>Final</strong>ement, la démarche employée a tout de même été adéquate en vue d’une conception<br />
en ingénierie. Celle-ci a été composée de plusieurs étapes dont premièrement la recherche<br />
d’informations sur le sujet, les calculs théoriques, la simulation d’un prototype virtuel sur<br />
Matlab/Simulink et au final la création d’un prototype réel. Malheureusement, des coûts trop<br />
élevés nous ont empêchés de procéder à la construction d’un générateur de Marx de qualité.<br />
Celui-ci a été fait avec les pièces les moins coûteuses possible et cela s’est reflété sur les<br />
résultats. L’étude de notre projet fût beaucoup plus poussée que ce que notre prototype<br />
permet d’effectuer. Ainsi, l’électrode, le bassin d’eau et le circuit d’aide à la commutation ont<br />
été dimensionnés, mais non utilisés. Pour certaines de ces conceptions d’autres techniques ont<br />
été employées, telle que le redresseur double alternance, qui générant une onde passant par<br />
0V, rendait inutile le circuit d’aide à la commutation. Le diviseur capacitif quant à lui a été retiré<br />
lors de l’expérimentation, car celui-ci n’était pas approprié pour la fréquence de l’impulsion<br />
puisqu’un court-circuit se produisait dans ce dernier dû au régime transitoire trop rapide.<br />
Puisque l’énergie libérée lors de l’impulsion était peu élevée, aucune onde de pression n’aurait<br />
été créée, ce qui explique l’abandon de l’idée du bassin d’eau.<br />
54
Conclusion et recommandations<br />
Pour conclure, le projet consistait à la conception d’un générateur d’impulsion haute<br />
tension et à la réussite de l’acquisition de la forme d’onde. Celui-ci, de façon académique, sert à<br />
la synthèse des connaissances acquises lors du BAC en génie électrique. Il nous a permis de<br />
développer un processus scientifique de conception basé sur l’enseignement reçu. Par ailleurs,<br />
celui-ci s’est avéré être une réussite confirmée, puisque compte tenu des ressources les<br />
résultats sont tout de même très bien. Les résultats en basse tension sont parfaits et les<br />
résultats en haute tension tendent vers des résultats souhaités, mais avec quelques<br />
divergences. En ce qui concerne l’acquisition de la forme d’onde, cette dernière s’est adonnée<br />
être plus facile que prévu, puisque le corps de recherche du CIGEL nous a procuré une sonde<br />
compatible à notre oscilloscope permettant de mesurer l’onde à haute tension.<br />
Il faut aussi rappeler que le prototype conçu n’était qu’une preuve de concept et que<br />
celui-ci ne pourrait servir à des tests de nature destructive. En effet, le présent prototype<br />
pourrait être amélioré de plusieurs façons. Dans un projet futur, le budget allouer pourrait<br />
servir a amélioré certaines pièces de notre générateur tel que les résistances et des<br />
condensateurs pouvant déployer plus d’énergie. De plus, pour un fonctionnement automatisé,<br />
le FPGA conçu précédemment pourrait être intégré au circuit de déclenchement. Aussi, il serait<br />
intéressant d’améliorer le système de décharge des condensateurs parce que celui-ci fonctionne<br />
de façon très lente. Il faut avouer que si l’on avait pu se procuré un transformateur 120/1000 AC<br />
, on aurait éviter la charge lente des condensateurs due à l’utilisation d’un transformateur ayant<br />
une impédance de sortie très élevée. En dernier lieu, le fait de travailler durant la période<br />
estivale sur un projet d’une telle envergure a posé quelques problèmes puisqu’il a été<br />
nécessaire de contacter le personnel et durant cette période ceux-ci profitent de leurs congés,<br />
et ce, parfois tous en même temps.<br />
Tout de même, ce projet fut une expérience agréable et plus que profitable à notre<br />
apprentissage.<br />
55
Bibliographie<br />
Doubleur de Shankell<br />
AGUET,MICHEL; LANOZ,MICHEL; Traité d’électricité, Lausanne, Presse Polytechnique et<br />
universitaire romandes, 2004, 425 pages.<br />
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Générateur de Marx<br />
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Engineers, 1995, 129 pages.<br />
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Thyristor<br />
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5mai <strong>2010</strong>)<br />
57
Calcul<br />
Étude des courants<br />
Le dernier étage<br />
Le premier étage<br />
Annexe A<br />
58
Le deuxième étage<br />
Calcul des capacités de choc :<br />
Calcul de la capacité objet :<br />
Surface de l’électrode :<br />
Calcul de l’amplification résultante de l’effet de pointe :<br />
59
Calcul des composantes du générateur de Marx<br />
Calcul des résistances :<br />
1) Détermination du paramètre X<br />
2) Détermination du paramètre Θ :<br />
Sur l’abaque, à une valeur α de 6,7 sur la courbe T2/Θ, on trouve une valeur de<br />
T2/Θ sur l’échelle graduée verticale de 10.<br />
3) Détermination de R1 :<br />
4) Détermination de R2 :<br />
Ce qui donne une résistance de 4.13Ω par étage, soit 41.3Ω/10.<br />
Ce qui donne une résistance de 60.5Ω par étage, soit 605.33 Ω/10.<br />
60
Calcul de vérification du choc de foudre :<br />
Puisque les valeurs des résistances calculées précédemment ne sont pas disponibles, on<br />
va utiliser une résistance de front de 3,9Ω et une résistance de queue de 60V. On peut retrouver<br />
la valeur de et de α l’aide des formules suivantes :<br />
On obtient ainsi avec un de 7.26 une valeur de T2/ approximative de 11, ce qui donne<br />
une valeur de T2 de 53.24 µs. On peut aussi trouver une valeur pour le rapport T2/T1 de 50 et<br />
ainsi trouver que T1 est de 1 µs avec la valeur précédente de T2. On peut donc conclure que le<br />
tout est conforme à la norme pour un choc de foudre soit 1,2 ± 0.36 µs / 50 ± 10 µs.<br />
61
Dimensionnement des pièces 1<br />
Annexe B<br />
Bien que les calculs aient été effectués selon les normes, ceux-ci auront à faire face à des<br />
courants et des tensions à leurs bornes hors du commun. Afin que chacune des pièces tienne le<br />
coup lors des fortes décharges, il faut tenir compte de plusieurs paramètres tels que la tension<br />
maximale tolérée aux bornes de celle-ci.<br />
Tout d’abord, on retrouve à l’entrée du générateur un pont redresseur constitué de 4<br />
diodes. On utilise le pont de diode à double alternance afin d’obtenir un signal DC. Il faudra<br />
donc que chacune de ces diodes soit capable de supporter la tension d’entrée soit, 1000 V et de<br />
vérifier le courant y circulant à travers.<br />
4 diodes<br />
-1N3673A<br />
Tableau 13: Datasheet des diodes<br />
Par la suite, on retrouve la répétition de 10 étages identiques suivant le principe du<br />
générateur de Marx. Selon les calculs théoriques des courants circulant dans chacune des<br />
branches, on peut ainsi retrouver la tension qui sera appliquée aux bornes de ces composantes.<br />
1 Il est à noter que chacune des pièces a été trouvée sur www.DigiKey.com/CA et que leur numéro<br />
d’identification est celui que l’on retrouve sur ce site.<br />
62
Tableau 14: Résistances utilisées avec les tensions et courants à supporter<br />
Résistance(Ω) Courant(A) Tension aux bornes(V)<br />
300 3.28 984.0<br />
5 1.98 9.9<br />
60 19.59 1175.4<br />
5000 1.4 7000<br />
Cette tension appliquée aux bornes des résistances doit être respectée puisque sinon, il<br />
risque de se créer un arc entre ceux-ci provoquant ainsi un court-circuit non désiré. Pour ce<br />
faire, un nombre adéquat de résistances devra être placé en série de façon à obtenir la valeur<br />
résistive voulue. De plus, afin de procéder avec une certaine marge de sécurité, les résistances<br />
choisit pourront supporter 600 V, mais les calculs pour en déterminer le nombre nécessaire<br />
seront basés sur une tension maximale de 500V. On aura donc de cette façon, une marge de<br />
sécurité de 100 V par résistance.<br />
Résistances<br />
300 = 300 CF 1 300 5% R<br />
5 CF 1/4 5 5% R<br />
60 = 60 CF 1 60 5% R<br />
5200 = 4 * 1300 CF 1 1300 5% R<br />
Tableau 15: Datasheet des résistances<br />
63
Thyristors<br />
Pour s'assurer que les thyristors ne seront pas détruits instantanément lors de la<br />
décharge, il faut les dimensionner de façon à se que ceux-ci résistent à la tension maximale<br />
appliquée à leurs bornes et au courant le traversant. Cette tension sera celle de la tension de<br />
charge et son courant approximativement de 20 ampères.<br />
Dimensionnement du CALC<br />
Figure 47: Datasheet des thyristors<br />
Le courant circulant dans le thyristor au moment de la commutation est fixé à 200 mA<br />
puisque le courant de maintien de celui choisi varie entre 100 et 150 mA. De plus, le circuit RC<br />
sera conçu de façon à avoir 100 mA après 100 µs.<br />
Détermination de la résistance Rs :<br />
Rs = 6667 Ω<br />
Détermination de la capacité Cs :<br />
Cs = 13,65 ηF<br />
64
Dimensionnement du diviseur capacitif<br />
Le circuit diviseur capacitif sera placé en parallèle avec la capacité objet afin d’obtenir<br />
une capacité équivalente de 10 ηF. Sachant cette information, on peut tenter de dimensionner<br />
les deux condensateurs en série qui formeront ce circuit.<br />
Figure 48: Diviseur capacitif<br />
Où, Vht est la haute tension, V est la basse tension voulue et C1 le condensateur haute<br />
tension. Dans le cas présent, on désire mesurer une tension de l’ordre de 10 V et puisque la<br />
capacité basse tension sera beaucoup plus grande, on donne directement une valeur de 10 ηF à<br />
C1. Ainsi, la capacité équivalente sera d’environ 10 ηF.<br />
65
Fiche technique<br />
Tore<br />
Annexe C<br />
66
Varistances<br />
Condensateurs<br />
Figure 49: Datasheet des varistances<br />
Figure 50 : Datasheet des condensateurs<br />
67
Relais<br />
Figure 51: Datasheet des condensateurs (suite)<br />
Figure 52: Datasheet des relais<br />
68
Résistance<br />
Thyristor<br />
69
Diode<br />
Tableau 16: Datasheet des diodes<br />
70
Abaque<br />
Annexe D<br />
71
Bilan des coûts<br />
Annexe E<br />
Composantes Coût ($)<br />
1 condensateur 40 kV 34.95<br />
10 condensateurs 1.2 kV 152.00<br />
12 Thyristors 213.04<br />
10 varistances 22.07<br />
1 Relai 32.11<br />
Matériaux (plexiglas, roulette, bois, vis, fil) 107.59<br />
4 Diodes 1.6 kV 35.56<br />
Total : 597.32<br />
72