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Université du Québec à Chicoutimi
MODULE D’INGÉNIERIE
GÉNIE ÉLECTRIQUE
6GIN555 PROJET DE SYNTHÈSE EN INGÉNIERIE
Rapport Final
# Projet : 2010-161
Conception d’un générateur d’impulsion
Préparé par
Allard, Patrick
Bouchard, Maxime
St-Pierre, Alexandre
Pour
Fofana, Issouf
27 août 2010
CONSEILLER : Fofana, Issouf PH.D
COORDONNATEUR : Jacques Paradis, ing
ii
Approbation du rapport d’étape pour diffusion
Nom du conseiller
Date
Signature
iii
CONCEPTION D’UN GÉNÉRATEUR D’IMPULSION
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Étant dans une ère de surconsommation continuellement croissante où l’importance de prendre soin de l’environnement est au cœur des débats, il est primordial de trouver des solutions au niveau du traitement des déchets. La solution envisagée est d’utiliser les puissances électriques pulsées afin de traiter ces déchets. Cependant, le projet porte sur la fragmentation de matériaux et non sur leur récupération. Les principaux objectifs sont de concevoir un générateur d’impulsion haute tension ainsi qu’un dispositif de mesure et d’acquisition de la forme d’onde.
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Tout d’abord, des recherches ont été effectuées au niveau du générateur d’impulsion, des calculs théoriques ont permis de dimensionner les composantes à utiliser au niveau du générateur et des simulations à l’aide de logiciels ont permis de valider tout cela. En second lieu, différentes méthodes ont été étudiées afin de déterminer le meilleur circuit de déclenchement possible pour permettre la commutation des thyristors et pour permettre d’acquisitionner la forme d’onde à la sortie. Par la suite, une partie du travail fût effectuée au niveau de l’aspect sécurité et des composantes à utiliser afin de rendre le tout sécuritaire. Finalement, le reste du travail a consisté à réaliser le montage et d’effectuer les tests.
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Puisqu’un prototype permettant d’effectuer des essais destructif était trop coûteux, celui-ci à été fabriqué de façon valider le concept. En effet, l’énergie nécessaire à la fragmentation d’objets demandait des composantes trop onéreuses. Ainsi, le prototype développé à permis de produire un choc de type ‘foudre’ à une tension de 10 kV respectant la norme IEEE. Lors des essais à basse tension, les résultats obtenus ont été encore meilleurs que ceux espérés par la simulation, tandis que, à tension maximale l’efficacité s’est avérée presque semblable à la simulation.
iv
Table des matières Introduction .......................................................................................................................... 1
Présentation du projet ......................................................................................................... 2
Description du projet ........................................................................................................ 2
Description de l’équipe de travail .................................................................................... 2
Problématique et état de l’art reliés au projet ................................................................ 2
Objectifs généraux et spécifiques du projet .................................................................... 3
Méthodologie ....................................................................................................................... 4
Générateur de Marx ......................................................................................................... 4
Alimentation du générateur ......................................................................................... 4
Redresseur .................................................................................................................... 4
Générateur d’impulsion ............................................................................................... 4
Mesure de protection ................................................................................................... 5
Mesure et acquisition ................................................................................................... 5
Expérimentation ............................................................................................................... 5
Prototypage ...................................................................................................................... 5
Validation des résultats .................................................................................................... 5
Élément de conception ......................................................................................................... 6
Générateur de Marx ......................................................................................................... 6
Choc de foudre ............................................................................................................. 6
Principe de fonctionnement du générateur ................................................................. 7
Dimensionnement des composantes du générateur ................................................... 9
Transmission d’énergie ............................................................................................... 12
Propagation de la décharge électrique ...................................................................... 16
Thyristor.......................................................................................................................... 17
Circuit d’Aide à La Commutation (CALC) .................................................................... 18
Détermination de la capacité Cs : ............................................................................... 19
Circuit de déclenchement des thyristors ....................................................................... 20
Le système de déclenchement ................................................................................... 23
FPGA ........................................................................................................................... 24
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Structure du prototype ................................................................................................... 26
Mesure haute tension .................................................................................................... 27
Oscilloscope .................................................................................................................... 28
Sonde 1000X P6015 .................................................................................................... 28
Mesures de protection ................................................................................................... 29
Protection au condensateur ....................................................................................... 29
Protection du thyristor ............................................................................................... 30
Prise DDFT ................................................................................................................... 31
Étude des courants ............................................................................................................. 32
La charge ......................................................................................................................... 32
La décharge ..................................................................................................................... 33
L’étude du dernier étage ................................................................................................ 33
Le premier étage............................................................................................................. 35
Le deuxième étage ......................................................................................................... 36
Simulation ........................................................................................................................... 38
Phase d’expérimentation préliminaire ............................................................................... 40
Déclenchement des thyristors ........................................................................................ 40
Protocole d’essais ............................................................................................................... 41
Résultats ............................................................................................................................. 42
Simulation ....................................................................................................................... 42
Système de déclenchement ........................................................................................... 43
Impulsion de sortie du générateur d’impulsion ......................................................... 43
Impulsion au secondaire du tore ................................................................................ 44
Onde de choc .................................................................................................................. 45
Onde de choc à 10 kV ................................................................................................. 45
Onde de choc à basse tension .................................................................................... 46
Tension de sortie à tension différente ........................................................................... 47
Comparaison des résultats ................................................................................................. 48
Étude des courants ......................................................................................................... 48
Bilan des activités ............................................................................................................... 50
IV. 1 Arrimage formation académique/application pratique projet .............................. 50
vi
Travail d’équipe .............................................................................................................. 50
Respect de l’échéancier .................................................................................................. 51
Analyse et Discussion ......................................................................................................... 53
Conclusion et recommandations ........................................................................................ 55
Bibliographie ....................................................................................................................... 56
Doubleur de Shankell ..................................................................................................... 56
Générateur de Marx ....................................................................................................... 56
Système de déclenchement thyristor ............................................................................ 57
Circuit d’aide à l’ouverture ............................................................................................. 57
Thyristor.......................................................................................................................... 57
Dispositif d’acquisition ................................................................................................... 57
Annexe A ............................................................................................................................. 58
Calcul .............................................................................................................................. 58
Étude des courants ..................................................................................................... 58
Calcul de la capacité objet .............................................................................................. 59
Calcul de l’amplification résultante de l’effet de pointe : .............................................. 59
Calcul des composantes du générateur de Marx ....................................................... 60
Annexe B ............................................................................................................................. 62
Dimensionnement des pièces ........................................................................................ 62
4 diodes ...................................................................................................................... 62
Résistances ................................................................................................................. 63
Thyristors .................................................................................................................... 64
Dimensionnement du CALC ........................................................................................ 64
Dimensionnement du diviseur capacitif ..................................................................... 65
Annexe C ............................................................................................................................. 66
Fiche technique .............................................................................................................. 66
Annexe D............................................................................................................................. 71
Abaque ............................................................................................................................ 71
Annexe E ............................................................................................................................. 72
Bilan des coûts ................................................................................................................ 72
viii
Liste des figures
Figure 1: Schéma bloc de la méthodologie .......................................................................... 4
Figure 2:Forme d'onde du choc de foudre ........................................................................... 6
Figure 3:Générateur de Marx à 3 étages .............................................................................. 7
Figure 4: Schéma équivalent générateur multi-étages ........................................................ 8
Figure 5:Schéma bloc de l'alimentation du générateur ....................................................... 9
Figure 6: Branchement des transformateurs de contrôle.................................................... 9
Figure 7: Applications des puissances pulsées ................................................................... 12
Figure 8: Principe de la production de puissance pulsée ................................................... 13
Figure 9: Schéma d'un redresseur double alternance ....................................................... 13
Figure 10: Principe de l'effet de pointe .............................................................................. 15
Figure 11:Schéma d'une décharge électrique subsonique ................................................ 16
Figure 12:Schéma des jonctions PN et des pattes du thyristor ........................................ 17
Figure 13:Schéma en BJT du thyristor ................................................................................ 17
Figure 14:Représentation électronique du thyristor ......................................................... 18
Figure 15:Schéma électrique d'un circuit de snubber ........................................................ 18
Figure 16:Graphique du courant à travers le thyristor ...................................................... 20
Figure 17: Principe d'amorçage des thyristors ................................................................... 20
Figure 18:Allure de l'impulsion de déclenchement ............................................................ 22
Figure 19: Circuit de déclenchement ................................................................................. 23
Figure 20: Programmation du FPGA ................................................................................... 24
Figure 21:Rédultat des simulations sur MATLAB ............................................................... 25
Figure 22: Circuit d'amplification du signal du FPGA ......................................................... 26
Figure 23:Diviseur capacitif ................................................................................................ 27
Figure 24: Oscilloscope Tektronix ....................................................................................... 28
Figure 25: Circuit de protection .......................................................................................... 29
Figure 26: Courbe idéale courant-tension d'une varistance .............................................. 30
Figure 28: Fonctionnement prise DDFT .............................................................................. 31
Figure 27: Prise DDFT.......................................................................................................... 31
Figure 29: Circuit électrique du générateur de Marx lors de la charge ............................. 32
Figure 30: Schéma électrique du générateur de Marx lors de la décharge ....................... 33
Figure 31: Représentation du dernier étage du générateur .............................................. 33
Figure 32: Circuit équivalent du dernier étage du générateur .......................................... 34
Figure 33:Schématisation des courants circulant ainsi que leur sens ............................... 34
Figure 34:Schéma du premier étage du générateur .......................................................... 35
Figure 35:Schéma équivalent du premier étage ................................................................ 35
Figure 36:Schéma équivalent du premier étage avec le sens des courants ...................... 35
ix
Figure 37:Schéma du deuxième étage du générateur ....................................................... 36
Figure 38:Schéma équivalent du deuxième étage du générateur ..................................... 36
Figure 39:Schéma équivalent du deuxième étage avec le sens des courants ................... 37
Figure 40: Banc d'essai ....................................................................................................... 39
Figure 41: Circuit de déclenchement des thyristors lors des phases préliminaires ........... 40
Figure 42: Résultat de l'impulsion de sortie du générateur d'impulsion ........................... 43
Figure 43: Résultat de l'impulsion au secondaire du tore .................................................. 44
Figure 44:Résultat de l'Onde de choc à 10 kV .................................................................... 45
Figure 45: Résultat de l'onde de choc à basse tension ...................................................... 46
Figure 46: Résultat comparatif des sorties de tension du générateur............................... 47
Figure 47: Datasheet des thyristors ................................................................................... 64
Figure 48: Diviseur capacitif ............................................................................................... 65
Figure 49: Datasheet des varistances ................................................................................. 67
Figure 50 : Datasheet des condensateurs .......................................................................... 67
Figure 51: Datasheet des condensateurs (suite) ................................................................ 68
Figure 52: Datasheet des relais .......................................................................................... 68
Liste des tableaux
Tableau 1:Valeur des courants du dernier étage ............................................................... 34
Tableau 2:Valeur des courants circulant au premier étage ............................................... 36
Tableau 3:Valeurs des courants circulant pour le deuxième étage ................................... 37
Tableau 4: Résultat du dernier étage ................................................................................. 42
Tableau 5:Résultat du premier étage ................................................................................. 42
Tableau 6: Résultat du deuxième étage ............................................................................. 42
Tableau 7: Dernier étage .................................................................................................... 48
Tableau 8: Premier étage ................................................................................................... 48
Tableau 9: Deuxième étage ................................................................................................ 48
Tableau 10:Tension de sortie théorique vs pratique ......................................................... 49
Tableau 11: Tension de sortie théorique vs simulation ..................................................... 49
Tableau 12: Temps de montée et de descente de l’onde de choc .................................... 49
Tableau 13: Datasheet des diodes ..................................................................................... 62
Tableau 14: Résistances utilisées avec les tensions et courants à supporter .................... 63
Tableau 15: Datasheet des résistances .............................................................................. 63
Tableau 16: Datasheet des diodes ..................................................................................... 70
1
Introduction
Le rapport suivant fait l'objet de la conception d’un générateur de Marx de A à Z. Celui-ci
représente la totalité du travail accompli en vue d’obtenir un générateur de choc de foudre
fonctionnel. Celui qui a été conçu et qui est traité dans le présent rapport est d’ailleurs une
réussite puisqu’il permet de délivrer un choc de l’ordre de 10 kV avec une efficacité supérieur à
80%.
Ce projet consiste en la dernière épreuve du BAC en génie électrique. Celui-ci représente
la synthèse de toutes les notions et techniques de travail apprises lors des dernières années. Il
sollicite le futur ingénieur aux multiples défis que pourra lui apporter son futur métier, le tout
dans un environnement académique surveillé et contrôlé. Lors de la réalisation du projet,
l'étudiant doit être capable de concevoir un projet, dans le domaine de la haute tension, qui soit
efficace et sécuritaire tout en respectant les contraintes budgétaires. Un projet dans l’usage
haute tension implique des composantes plus grosses et par le fait même plus dispendieuses. Il
faut aussi surtout redoubler de prudence quant à la sécurité du prototype qui délivre des chocs
mortels. L’étudiant doit user d’ingéniosité afin d’effectuer une conception performante tout en
respectant les contraintes de ce domaine.
Le rapport a été écrit de façon à amener tranquillement le lecteur vers les résultats
expérimentaux, l’analyse ainsi que les conclusions tirées face aux réussites et aux points faibles
de la conception. Tout d’abord, une description élaborée du projet est présentée suivi de la
problématique qui entoure la mise en place de cette recherche, puis les objectifs visés. Suite à
cette initiation, on entre dans le vif du sujet en décrivant et en expliquant précisément chaque
partie qui a dû être pensée et conçue. Cette phase du rapport présente aussi la méthodologie,
les simulations et les tests préalables au déclenchement des thyristors. Viens par la suite, le
bilan des activités qui comprend les résultats tant attendus ainsi que leur analyse. On retrouve à
la fin du rapport, attaché en annexe, tous les calculs et fiches techniques.
2
Présentation du projet
Description du projet
Le présent projet fait appel à des connaissances au niveau des puissances électriques
pulsées afin de fragmenter des objets en utilisant la vitesse de propagation d’une onde de choc
créé dans l’eau. Un générateur de choc est utilisé afin de pouvoir créer ce type d’onde entre
deux électrodes divergentes soumis à des tensions de choc très élevées à l’aide de champs
électriques impulsionnels très élevés. Le résultat de ce projet est d’ainsi récupérer les
différentes composantes des matériaux fragmentés.
Description de l’équipe de travail
Les membres de l’équipe sont Patrick Allard, Maxime Bouchard et Alexandre St-Pierre. Le
conseiller ainsi que le promoteur est Issouf Fofana. Pour ce qui est de la première rencontre, on
a discuté du projet choisi ainsi que de se mettre à trois sur ce projet pour le réaliser. De plus, M.
Fofana nous a donné de l’information ainsi que des pistes afin de démarrer notre recherche sur
le sujet choisi. Au niveau de la fréquence des autres rencontres, elles étaient très élevées au
départ afin de bien comprendre le principe du générateur et ce qui était demandé. Par la suite,
soit au mois de juin jusqu’à la mi-juillet, elles étaient moins fréquentes pour ensuite le redevenir
puisque la phase expérimentale approchait.
Problématique et état de l’art reliés au projet
Les ondes de chocs créés dans un liquide par le générateur permettent la fragmentation
de déchets et ainsi une récupération plus efficace des matériaux qui les composent et une
réduction d’espace que ceux-ci peuvent occuper.
La principale utilisation de la puissance électrique pulsée est de reproduire des formes
d’onde de différents types, soit un choc de manœuvre, à front raide ou de foudre. L’utilité de
reproduire un choc de foudre par exemple est de pouvoir tester si des composantes électriques
ou électroniques peuvent lui résister si un orage survient et s’abat sur l’une d’entre-elle. De
plus, du fait de la grande énergie que ce type de technologie peut déployer, on peut l’utiliser
dans d’autres domaines tel le traitement de cellules végétales ou biologiques ainsi que dans le
domaine de l’agroalimentaire pour réduire la contamination bactérienne et ainsi augmenter la
durée de vie de différents produits.
3
Objectifs généraux et spécifiques du projet
Le principal objectif de ce projet est de concevoir un générateur d’impulsion à haute
tension devant fragmenter la matière. Avec l'estimation des coûts présentée dans le plan de
travail, il a fallu modifier les objectifs initiaux qui étaient d'obtenir une tension de sortie de
100 kV et une énergie transmise de 10 kJ afin de pouvoir détruire de la matière solide. Dû à la
contrainte budgétaire, il a fallu modifier à la baisse l’ampleur de notre générateur. En effet,
comme il faut une grande énergie afin de briser la matière, la capacité des condensateurs doit
être grande afin d’accumuler l’énergie nécessaire. Le présent concept sera le même que le
premier, mais les résultats seront malheureusement beaucoup moins intéressants. L’énergie
déployée ne sera pas destructive et la tension finale sera dix fois moins grande que l’objectif
initial. Donc, afin de pallier à ces coûts monstres, chaque étage aura une tension de 1kV au lieu
de 10kV et aucune énergie précise ne sera visée. Une nouvelle estimation des coûts sera placée
en annexe.
De plus, la conception d’un système d’acquisition de la tension et de la forme d’onde a
été demandée, cependant on a obtenu une sonde permettant de mesurer directement à la
sortie la tension et la forme d’onde sur un oscilloscope sans avoir à concevoir un système
d’acquisition en tant que tel.
4
Méthodologie
Voici un diagramme bloc de la méthode proposée afin de réaliser le générateur
d’impulsion à haute tension.
Source RedresseurGénérateur
d’impulsion
Mesure
de
protection
Mesure
et
acquisition
Figure 1: Schéma bloc de la méthodologie
Générateur de Marx
Alimentation du générateur
La source de tension qui sera utilisée afin d’alimenter notre générateur d’impulsion sera
un transformateur de 120 : 12000 volts. La tension d’alimentation nécessaire afin de faire
fonctionner notre générateur afin d’avoir un choc de foudre de 10000 volts devra être de 1000
volts. Ainsi, il sera nécessaire de faire varier l’alimentation du transformateur afin de l’ajuster à
la tension nécessaire.
Redresseur
L’alimentation de notre générateur d’impulsion doit se faire selon une tension
continue. Comme la source d’alimentation sera alternative, il est nécessaire de trouver un
moyen de redresser cette tension. La méthode qui sera utilisée afin de réaliser cela est un
redresseur double alternance à diode.
Générateur d’impulsion
Il existe plusieurs types de générateur d’impulsion, soit à fort courant, à forte
tension ou les deux en même temps. Le montage envisagé est un montage à forte tension. Il est
nommé générateur de Marx et celui-ci sera dimensionné selon les spécifications et normes
déterminées. Afin d’opérer notre générateur d’impulsion, la méthode de commutations utilisée
sera effectuée à l’aide de thyristors.
5
Mesure de protection
Le générateur sera utilisé à des tensions élevées. Alors, pour la sécurité des utilisateurs,
un système de protection devra être envisagé. De plus, comme les pièces sont dispendieuses, la
protection de celles-ci devra être faite.
Mesure et acquisition
Lors de notre projet, nous devons concevoir un dispositif de mesure et
d’acquisition de la forme d’onde. Au niveau de l’acquisition de mesure de haute tension de
choc, il existe plusieurs façons de procéder. Plusieurs méthodes ont été envisagées et testées.
Celle retenue sera l’utilisation d’une sonde pouvant supporter ces tensions.
Expérimentation
Lorsque le dimensionnement de notre générateur a été effectué, afin de valider nos
calculs théoriques, une simulation à l’aide du logiciel de Matlab a été effectuée. Ainsi, on
s’assure que le dimensionnement a bien été fait.
Prototypage
Le prototypage proposé sera un prototype transportable se composant d’un
châssis ouvert afin de faciliter le travail autour de celui-ci.
Validation des résultats
La validation de notre projet sera évaluée sur l’efficacité obtenue en comparant à nos
simulations effectuées. De plus, comme notre générateur doit effectuer des chocs de type
foudre, les temps de montée et de descente de notre onde acquise devront correspondre à la
norme IEEE.
6
Élément de conception
Générateur de Marx
Choc de foudre
Un choc est une tension ou un courant transitoire qui est dit apériodique, qui est
appliqué de manière intentionnelle et qui croît rapidement jusqu’à l’obtention d’une valeur
crête pour ensuite décroître jusqu’à obtenir une valeur nulle. On peut ainsi représenter un choc
par la somme de deux exponentielles. On caractérise alors un générateur de choc par la valeur
de tension de crête, le temps de montée et le temps de descente.
Figure 2:Forme d'onde du choc de foudre
Il existe ainsi plusieurs types de chocs, mais dans notre situation le type de choc
recherché est de foudre. Il faut alors un temps (T1) de montée ou de front de 1,2 µs et un temps
(T2) de descente ou de queue de 50 µs si on veut respecter les critères de ce type de choc.
7
Principe de fonctionnement du générateur
Tout d’abord, le principe d’un générateur de Marx est plutôt simple, il consiste à charger
une certaine quantité de condensateurs en parallèle à l’aide d’une certaine tension
d’alimentation et de les décharger par la suite en série en utilisant des commutateurs (éclateurs
à air ou thyristors). Il est ainsi possible de multiplier la tension d’alimentation par le nombre
d’étages ajoutés ce qui permet alors d’atteindre des valeurs de tension de sortie très élevées.
Au niveau de la qualité du générateur, elle est déterminée par le synchronisme de fermeture
des commutateurs qui doivent se déclencher le plus rapidement possible et en même temps.
Voici le schéma représentatif d’un générateur à trois étages avec éclateurs à air :
Figure 3:Générateur de Marx à 3 étages
On peut aussi représenter le schéma précédent par un schéma équivalent pour
un générateur multi-étage :
8
Figure 4: Schéma équivalent générateur multi-étages
Où R1 = nR’f + Rs ; R2 = nR’
r et n est le nombre d’étages
Pour ce qui est du fonctionnement, le tout commence par la charge à tension
continue des condensateurs (C’a et C’
s) en parallèle par l’intermédiaire des résistances de charge
(R10 et R’1). Malgré que le courant de charge traverse aussi les résistances R’
r et R’f, elles sont
dimensionnées de manière à êtres plus petites que celles de charge, donc elles n’influencent
pas le temps de charge des condensateurs. Lorsque les condensateurs sont bien chargés, on les
décharge ensuite en série par l’intermédiaire des éclateurs (G) à la suite du claquage du
diélectrique du premier éclateur qui entraîne par la suite les autres. Afin que le déclenchement
se fasse dans le bon ordre et de la meilleure façon possible, l’écartement du premier éclateur
est légèrement plus faible que les autres ce qui fait que l’amorçage se produit tout d’abord sur
celui-ci. Ce type de montage peut fournir des tensions de choc, manœuvre ou de foudre de
l’ordre de 6MV. Dans notre cas, le nombre d’étages sera de dix avec une tension d’alimentation
de 1kV, ce qui donnera une tension de sortie de 10kV.
On peut remarquer que le type de commutateurs utilisés est des éclateurs à air qui
comportent deux parties distinctes séparées par un diélectrique qui est dans ce cas l’air. Les
principales caractéristiques de ce type de commutateur se situent au niveau de sa grande
endurance pour de forts courants et de fortes tensions. Lorsqu’on envoie une impulsion sur une
des deux électrodes, le gaz inter-électrode s’ionise ce qui entraîne la conduction de l’éclateur.
Cependant, ce type de composante comporte certains inconvénients, soit qu’une utilisation
répétitive à fréquence élevée ne laisse pas suffisamment de temps à l’air de recouvrer sa valeur
diélectrique de claquage. De plus, le réglage de l’écartement des éclateurs peut s’avérer critique
et difficile. C’est pourquoi, dans notre cas, on utilisera des commutateurs à semi-conducteur,
soit des thyristors qui sont plus fragiles, mais qui permettront d’avoir un meilleur synchronisme
au niveau du déclenchement. Cependant, il ne faut pas oublier qu’un système de
déclenchement impulsionnel est nécessaire à l’amorçage de ces derniers.
9
Dimensionnement des composantes du générateur
Alimentation
L’alimentation du générateur d’impulsion est composée de trois transformateurs. Le
transformateur principal qui élève notre tension à 1000 volts est un transformateur 120 : 12000
volts. Afin d’effectuer plusieurs essais à des tensions différentes, un autotransformateur sera
installé à l’entrée de notre transformateur. L’autotransformateur se connecte dans une prise
d’alimentation 120 VAC et peut varier la tension de 0 à 140 volts. Comme le transformateur
principal a un facteur de transformation de cent et que nos condensateurs se chargent à la
tension crête, alors l’autotransformateur ne doit pas dépasser 7.07 volts. Afin d’avoir plus de
précision et de latitude dans l’ajustement de la tension de notre générateur, un autre
transformateur sera ajouté entre le transformateur principal et l’autotransformateur. Ainsi, le
transformateur ajouté abaissera la tension de notre autotransformateur d’un facteur 4.3.
Auto-
transformateur
Transformateur
Abaisseur
120:28
Transformateur
éleveur
120:12000120 V AC
Tension d’alimentation
Du générateur de Marx
Figure 5:Schéma bloc de l'alimentation du générateur
En ce qui concerne l’alimentation des circuits de contrôle, deux transformateurs
120/25VAC sont mis en séries afin d’obtenir les 50 volts voulus au circuit de déclenchement. Le
relais, quant à lui, est alimenté à 25 VAC en utilisant la tension milieu de chacun des
transformateurs.
120 Vac
25 Vac
Figure 6: Branchement des transformateurs de contrôle
10
Résistances
Pour ce qui est des résistances, la méthode suivante a été utilisée pour leur
dimensionnement :
Puisqu’on sait que la capacité de choc (C1) est de 0,1 µF et la capacité de charge
(C2) de 10 nF, on peut déterminer les valeurs des résistances R1 et R2 à l’aide du temps
de front de 1,2 µs et de queue de 50 µs ainsi que de l’abaque suivante :
(Voir abaque en annexe figure 50)
Puisque dans notre cas le temps de queue sur le temps de front (T2/T1) est de 41,67, si
on regarde sur l’abaque où cette valeur se situant sur l’axe en ordonnée coupe la courbe de
foudre (T2/T1), on obtient une valeur α de 6,7.
On peut ensuite déterminer la valeur du rapport T2/θ avec cette valeur de α avec
le même abaque, puis on peut trouver la valeur de θ.
On utilise ensuite les trois formules suivantes pour dimensionner les résistances
de notre montage :
Pour ce qui est des résistances de charge (R’1 et R10), on les dimensionne pour qu’elles
soient de 8 à 10 fois la valeur de la résistance R’r.
Pour la résistance de sortie Rs, on la dimensionne pour avoir une efficacité
maximale, dans notre cas on obtient ce rendement maximal avec une résistance de 5kΩ.
Cependant, puisque la puissance que devra dissiper cette résistance sera assez importante, on
placera 4 résistances de 1300Ω pouvant dissiper 1 watt pour une résistance totale 5200Ω qui se
partageront ainsi la puissance à dissiper.
11
Condensateurs
Au niveau des condensateurs, ceux utilisés pour emmagasiner l’énergie qui sera
transmise par la suite ont été dimensionnés selon la formule d’énergie suivante :
Dans notre cas, l’énergie (W) que l’on veut accumulée est de 0,05J sous une tension de
1kV. Il est alors possible de déterminer facilement la valeur de la capacité à utiliser. Pour ce qui
est de la capacité Cb qui est en fait la capacité de l’objet, soit de l’eau dans notre cas, car les
électrodes sont immergées dans un bac rempli d’eau afin de créer une onde de pression, le
calcul se fait à l’aide de la formule suivante :
Où ε est la permittivité électrique, S est la surface, soit celle des électrodes et d la
distance entre les électrodes.
12
Transmission d’énergie
Les puissances électriques pulsées sont utilisées dans plusieurs domaines. Tout
dépend de l’application, ceux-ci nécessitent dans tous les cas une énorme puissance,
mais pas obligatoirement de fortes énergies. En effet, en relation avec le graphique ci-
dessous, la puissance de base nécessaire est de 10 kW et peut varier jusqu’à 1 GW. Pour
ce qui est de l’énergie, on peut procéder de la stérilisation médicale à partir de 8 joules,
mais par contre le traitement de déchets nucléaires nécessite 8 MJ.
Figure 7: Applications des puissances pulsées
Il faut par contre préciser que lors de procéder nécessitant jusqu’à 100 MW, cette
puissance n’est pas nécessairement emmagasinée dans les condensateurs. Puisqu’on sait que la
puissance est de l’énergie par unité de temps, si cette énergie emmagasinée est restituée plus
rapidement qu’elle a été accumulée; la puissance fournie sera multipliée par le facteur de temps
entre la restitution et l’emmagasinement. Ce principe est démontré visuellement sur la figure
suivante.
13
Figure 8: Principe de la production de puissance pulsée
Redresseur double alternance
La tension de sortie du transformateur 120/12000 volts est une tension alternative. La
charge de nos condensateurs doit être faite à une tension continue. Afin de transformer la
tension alternative en une tension continue, un redresseur double alternance sera nécessaire.
Comme on peut le remarquer à la figure 2, le redresseur se compose seulement de
quatre diodes. Le redresseur redresse l’alternance négative afin d’avoir un signal DC.
Tension
sortieTension
Entré
Temps
Temps
+
-
D1 D2
D3 D4
Figure 9: Schéma d'un redresseur double alternance
14
Lors de l’alternance positive de la tension alternative d’entrée, les diodes D1 et D4
conduisent tandis que les diodes D2 et D3 sont bloquées. En effet, comme la tension est la plus
positive à leurs bornes, les diodes D1 et D4 conduisent. Lors de l’alternance négative, les diodes
D4 et D1 sont bloquées, mais les diodes D2 et D3 sont passantes, car la tension est négative à
leurs bornes. Ainsi, l’alternance négative est redressée.
Afin de dimensionner les diodes, chaque diode doit être capable de maintenir à ses
bornes la tension maximale d’entrée.
Lors de notre conception, nous voulons avoir une tension de sortie de 1000 volts crête.
En effet, les condensateurs se chargent à la tension crête et non efficace. Afin de concevoir nos
diodes de notre redresseur, celle-ci doit être capable de maintenir à ces bornes au moins la
tension crête d’alimentation.
Thyristors
Les thyristors devront supporter une tension d’alimentation de 1 kV à leur borne
ainsi qu’un courant autour de 20A lors de la décharge des condensateurs. Pour ces valeurs de
courant et de tension, il n’y a aucun problème, car on a trouvé des thyristors pouvant supporter
chacun une valeur de 1,2 kV et un courant supérieur à celui-ci, ce qui fait qu’on aura besoin de
10 thyristors de ce type. Cependant, il faudra les déclencher avec un synchronisme exemplaire,
ce qui sera expliqué dans une autre section.
Électrodes
En ce qui a trait aux électrodes, après avoir effectué plusieurs recherches à ce
sujet, elles seront faites d’acier inoxydable qui devrait résister aux nombreux chocs ainsi qu’à la
température élevée qui sera atteinte dû au claquage. On s’est basé sur des générateurs
expérimentaux qui ont déjà fait leurs preuves pour déterminer cette caractéristique.
La distance inter-électrode a été déterminée afin d’être certain qu’il y est
claquage, c’est pourquoi on a choisi de les placer à une distance de 1 mm. On s’est aussi référé à
des travaux portant sur d’autres montages réalisés. De plus, puisque le claquage dans l’air se
produit autour de 30 kV par centimètres, avec une valeur de claquage dans l’eau inférieure à
cette dernière et une distance très courte, on est certain que tout se produira comme on le
souhaite.
15
La forme de l’électrode de haute tension a été choisie selon la théorie de l’effet
de pointe qui permet d’accentuer la valeur de la tension. À l’aide des formules suivantes, il est
possible de déterminer la valeur de cette amplification (β) de tension :
Les dimensions de cette électrode ont été choisies afin de respecter la forme de la figure
ci-dessous. On a choisi une hauteur (h) de 30 mm et une largeur (w) de 7 mm, ce qui donne un
rayon de 3,5 mm pour la pointe.
Pour ce qui est de l’électrode de basse tension, sa forme importe peu, donc ce sera
uniquement un plan.
w
E
o
E
p
h
Figure 10: Principe de l'effet de pointe
16
Propagation de la décharge électrique
Le schéma ci-dessous représente la propagation de la décharge électrique subsonique à
travers les bulles de gaz, qui dans ce cas est l’air, de l’électrode de haute tension à celle de la
masse.
Figure 11:Schéma d'une décharge électrique subsonique
Dès que l’énergie emmagasinée par les condensateurs est délivrée, cette
dernière sert principalement à chauffer l’eau qui se trouve au voisinage de l’électrode de haute
tension, du fait de la géométrie de celle-ci. Il y a alors création d’une bulle de gaz, soit de la
vapeur d’eau, près de la pointe où on retrouve un champ électrique assez élevé, soit supérieur
au claquage de l’air contenu dans la bulle d’air formée. D’après la théorie, de la lumière
ultraviolette et infrarouge émane de l’arc créé par le claquage du diélectrique, ce qui signifie
que les températures ainsi atteintes sont assez grandes pour chauffer l’intérieur de la bulle ainsi
que son pourtour, ce qui permet alors de créer de nouvelles bulles. L’arc électrique est alors
reporté à l’extrémité de l’autre bulle et peut ainsi continuer de se propager jusqu’à atteindre
l’électrode à la masse. Une telle propagation est lente et la tension décroît au fil du temps. Ce
qui entraîne deux conséquences possibles lors de ce phénomène :
Soit il n’y a pas assez de tension, ou d’énergie, afin que d’obtenir des claquages et
la formation de nouvelles bulles, alors le phénomène arrête.
Soit le phénomène se propage jusqu’à atteindre le plan (l’électrode à la masse) et
il y a rupture diélectrique complète du milieu.
17
Thyristor
Puisque le générateur de Marx sera construit en utilisant comme commutateur le
thyristor, il doit donc de mise d’introduire celui-ci et son fonctionnement de base. En premier
lieu, le thyristor a comme abréviation d’origine SCR signifiant : Silicon Controlled Rectifier. Bref,
celui-ci est composé de silicium dopé et agit à la manière d’une diode contrôlée. Similairement à
la diode, le courant qui peut le traverser est unidirectionnel et va de l’anode à la cathode. Par
contre, il est formé de quatre couches soit deux fois le nombre de couches d’une diode, tel
qu’on peut le voir à la figure suivante :
Figure 12:Schéma des jonctions PN et des pattes du thyristor
De plus, ces multiples couches lui fournissent une électrode supplémentaire, la gâchette
(gate), qui elle sert à contrôler la fermeture du thyristor. Mais, s’il est polarisé de façon à
obtenir une tension négative à l’anode par rapport à la cathode, le thyristor sera tout de même
bloqué. Afin de le faire entrer en conduction, il est nécessaire de consulter la fiche technique du
thyristor en question, dans le but de connaître son courant de maintien et d’amorçage. Tout
d’abord, son courant d’amorçage indique le courant minimal qui devra être injecté dans la
gâchette pour que celui-ci se mette à conduire. On peut facilement expliquer ce phénomène à
l’aide de son schéma en BJT (Bipolar Junction Transistor).
Comme on peut le voir ci-après, le courant de
gâchette contrôlera la zone d’opération du second
transistor, pour ainsi l’amener en région active et du
même coup permettre un courant allant de l’anode à la
cathode.
Figure 13:Schéma en BJT du thyristor
18
Ce courant d’amorçage peut être sous la forme d’un simple pulse de quelques fractions
de secondes puisqu’une fois la gâchette enclenchée, la conduction du thyristor ne dépend plus
de celle-ci. Pour conserver cette conduction, il faut par la suite s’assurer que le courant
traversant le SCR ne descend pas en bas du seuil permis, fixé par le courant de maintien. Ce
courant est aussi une caractéristique du thyristor qui est fournie dans sa fiche technique. On
peut à l’aide d’un circuit en parallèle contrôler le temps de conduction. Ce sujet sera d’ailleurs
traité prochainement.
Figure 14:Représentation électronique du thyristor
Circuit d’Aide à La Commutation (CALC)
Ce circuit, composé d’une résistance en série avec un condensateur, est mis en parallèle
avec le thyristor afin d’atténuer les effets néfastes d’une soudaine variation de la tension à ces
bornes. En effet, lorsque la gâchette reçoit le signal
de déclenchement, le thyristor qui était
précédemment à l’état bloqué, se met subitement à
conduire causant ainsi un risque d’autodestruction
dû aux fortes variations de tension. De plus, le circuit
d’aide à la commutation peut servir à contrôler
l’ouverture du thyristor par le dimensionnement
approprié de ces composantes RC, provoquant ainsi
son blocage. Afin de bien concevoir le CALC, il est
nécessaire de suivre une série d’étapes de
compréhension.
Figure 15:Schéma électrique d'un circuit de snubber
19
On commence au départ en état fermé donc, VThy = 0 puisqu’il conduit.
Du même coup, VRs + VCs = VThy = 0
On définit donc, que VRs = Rs*is et is = C*dVc / dt
On remplace ces valeurs dans la première équation : RC* dVc / dt + VCs = 0
En régime permanent cette équation différentielle devient : VCs = E*exp(-t/RC)
De plus, connaissant is = -E/R*exp (-t/RC) on effectue la loi des nœuds pour obtenir la
formule finale du courant traversant le transistor.
L’objectif d’une ouverture rapide est d’obtenir < rapidement.
Détermination de la résistance Rs :
Pour déterminer la valeur de résistance nécessaire, on fixe le courant du thyristor voulu
lorsque celui-ci vient d’être commuté en fermeture(t s’approche de 0+). Puisqu’ une fonction
exponentielle est égale à 1 lorsque son exposant égal zéro, on obtient :
Où seule Rs n’est pas connue.
Détermination de la capacité Cs :
Afin de trouver cette valeur, on fixe dans l’équation de départ la valeur du temps à
laquelle on veut que le courant de maintien soit atteint. On aura donc Cs comme seul inconnu.
Donc, considérant qu’en augmentant la valeur du temps, l’exponentielle diminue, on tend à se
rapprocher de la valeur seuil du courant de maintien qui une fois dépassée fera commuter en
ouverture le thyristor.
20
Figure 16:Graphique du courant à travers le thyristor
Il est à noter que notre prototype sera dimensionné dans les calculs en annexe.
Circuit de déclenchement des thyristors
Le déclenchement des thyristors de notre générateur s’effectue à l’aide de tores. Le type
de tores utilisés est fait de ferrite dont deux enroulements seront enroulés autour de celui-ci. Le
premier enroulement est connecté au circuit d’impulsion et le deuxième au thyristor.
Générateur
d’impulsion
Figure 17: Principe d'amorçage des thyristors
Le premier enroulement est constitué d’un câble passant à l’intérieur du tore. Dans ces
conditions, on dit que le premier enroulement possède un tour. Le câble utilisé au niveau du
primaire est un câble isolé à 25 kV. Initialement, l’utilisation de ce câble était nécessaire, car on
avait prévu d’effectuer une installation o<u le câble serait proche du dernier étage où la
décharge serait effectuée. Ainsi, lors de l’impulsion, la différence de potentiel entre le dernier
21
étage et le câble serait de 10 kV. On s’assurait que le câble était bien isolé et aucun court-circuit
ne serait possible. Lors de l’installation, ce câble a été installé de façon à être plus distant de la
décharge.
Le deuxième enroulement sera constitué de cinq tours. Les terminaisons de
l’enroulement sont connectées à la gâchette et à la cathode du thyristor. Lors de la conception
du tore, il faut s’assurer que le courant envoyé à la gâchette du thyristor sera suffisant afin de le
faire déclencher et que la tension entre la cathode et la gâchette a atteint le seuil minimal de la
fiche technique du SCR.
Lorsque l’on doit choisir un tore, plusieurs paramètres doivent être pris en considération
dont le matériau et la dimension. En effet, tout dépendant du matériau, la densité de flux
magnétique sera plus ou moins élevée. Lorsque l’on travail avec un tore, il est primordial de
s’assure que l’on travail dans la zone linéaire de sa courbe de magnétisation et non dans sa zone
de saturation. Au niveau de son dimensionnement, le tore doit être suffisamment gros afin que
l’on puisse bobiner autour de celui-ci et que notre fil de 25 kV puisse passer à travers de celui-ci.
Afin de déterminer si le tore choisi fonctionnera dans sa zone de saturation, il sera
nécessaire de calculer la densité de flux magnétique maximale dans notre zone d’opération et
de comparer avec la valeur théorique de la densité de flux magnétique maximal du matériau en
question. En effet, il est rare que le fabricant du tore indique la densité de flux magnétique
maximale. Le type de tore choisi est circulaire et en ferrite. La valeur théorique de la densité de
flux magnétique maximale est de 100 à 500 mT pour une fréquence de 60 hertz. Dans notre cas,
la fréquence à laquelle nous opérons le tore en question est beaucoup plus élevée. Il est
nécessaire de convertir notre impulsion en une fréquence afin de comparer notre valeur de
densité de flux à la valeur théorique.
Afin de convertir la durée de l’impulsion en fréquence pour que l’on puisse savoir si
notre tore est en saturation, la formule utilisée est la suivante :
Il est indispensable de déterminer le temps monté de notre impulsion. L’impulsion qui
sera envoyée au tore par l’entremise du câble 25 kV sera générée à l’aide d’un condensateur.
Voici à la figure l’allure de l’impulsion.
22
Temps Monté
Temps
Tension
Figure 18:Allure de l'impulsion de déclenchement
En connaissant le temps monté de l’impulsion, nous connaissons la fréquence
équivalente de notre impulsion et il est possible de déterminer la densité de flux puis comparer
avec les valeurs théoriques à 60 hertz de notre ferrite. La formule utilisée afin de déterminer la
densité de flux magnétique est la suivante :
Les paramètres connus sont la tension de sortie à l’enroulement secondaire, le nombre
de tours du premier et second enroulement et du courant minimal nécessaire au second
enroulement. Afin d’activer notre thyristor, nous devons avoir une tension entre la gâchette et
la cathode d’au moins 3,5 volts et un courant minimal de 100 mA. À partir de la relation
suivante, on peut déterminer la tension qui doit être appliquée au primaire.
Comme il risque d’avoir des pertes dues à la résistance des bobines et du câble, nous
avons surdimensionné la tension de notre impulsion à envoyer.
23
Le système de déclenchement
Le système de déclenchement sera utilisé afin d’envoyer l’impulsion nécessaire à travers
les tores de ferrite afin de déclencher nos thyristors. Comme on peut voir à la figure 18,
l’impulsion sera générée par un condensateur.
Figure 19: Circuit de déclenchement
Notre circuit de déclenchement sera alimenté à l’aide de deux transformateurs 120:24
volt Ac où ceux-ci sont connectés en série afin d’avoir une tension de sortie plus élevée. Un
redresseur double alternance sera utilisé afin de redresser la tension, car il est nécessaire de
charger notre condensateur à une tension continu. La résistance R1 est utilisée afin de charger
le condensateur C1 qui produira l’impulsion. Le thyristor TIC126 est l’interrupteur de notre
circuit. Ainsi, lorsque celui-ci est activé, le condensateur se décharge à travers celui-ci et fournit
l’impulsion nécessaire à travers le câble de 25 kV.
Il y aura deux méthodes pour amorcer le thyristor, une méthode manuelle et
automatique. La méthode manuelle consiste à actionner un interrupteur qui fournira le courant
nécessaire à la gâchette du thyristor. La méthode automatique se fera à l’aide d’un FPGA et sera
discutée ultérieurement. Deux diodes seront insérées à la sortie de notre montage. Une des
diodes sera mise à la masse servira comme diode de roue libre et la seconde sert à bloquer les
courants inverses.
24
FPGA
Le FPGA, « field-programmable gate array » ou en français réseau de portes
programmable, est un circuit intégré logique qui peut être reprogrammé après sa fabrication. En
effet, celui-ci possède de quelques milliers à quelques millions de portes logiques qui sont
connectés entre elles par une matrice de routage configurable. Ainsi, elle permet la
reconfiguration à volonté du composant.
La programmation la plus répandue du FPGA est le VHDL et le Verilog. Lors de notre
programmation du FPGA, nous allons utiliser la programmation en bloc logique. Cette
programmation est beaucoup plus simple et rapide à programmer que le langage de bas niveau
du VHDL. Le compilateur Xillinx compilera par la suite la programmation bloc logique en VHDL.
Le FPGA choisi est le modèle XC3S250E-4TQ144. Celui-ci possède plusieurs entrées
sorties ainsi qu’une fréquence rapide de 100 MHz et une horloge interne de 10 nanosecondes.
De plus, il possède 144 entrées sorties.
Afin d’envoyer une impulsion de manière cyclique, une série de compteur et de
comparateur est utilisée. On peut remarquer à la figure 19, la simulation de la programmation
sur Matlab. Son fonctionnement est très simple, mais efficace. Un compteur compte et un
comparateur va évaluer lorsque la valeur du compteur est plus grande que sa valeur de
comparaison. Dans notre cas ici on a 200. Par la suite, lorsque la valeur est plus grande, un autre
compteur sera activé et un autre comparateur va comparer la valeur du compte avec une autre
valeur. Lorsque la relation sera positive, la sortie sera mise à un.
Figure 20: Programmation du FPGA
25
Figure 21:Rédultat des simulations sur MATLAB
À l’aide du logiciel Matlab, la simulation a été simulée et ainsi on peut remarquer la
durée de l’impulsion. Le premier graphique est le compteur principal. Le deuxième graphique
est la sortie du premier compteur qui est la durée de notre impulsion de sortie. Finalement, le
dernier est la remise à zéro afin qu’il puisse recommencer.
Comme précisée plus haut, l’horloge interne du FPGA est très rapide. Chaque compte du
FPGA est de 10 nanosecondes, ce qui veut dire que si l’on veut un temps d’attente d’une
seconde sur notre premier compteur, la valeur qui devra être comparée est de 100 000 000. La
sortie du FPGA possède une tension de 3.3 volts avec 36 mA. Comme ce signal est beaucoup
trop petit pour déclencher le thyristor de notre circuit d’impulsion, il sera nécessaire d’amplifier
ce signal. À la figure 22, un circuit a été conçu afin d’amplifier le signal. Celui-ci a été vérifié et il
est fonctionnel.
26
Signal TTL du
FPGANPN
PNP
5v
GND
Sortie
10K
10K
4.7K
Figure 22: Circuit d'amplification du signal du FPGA
Le principe de ce circuit repose sur deux transistors BJTs d’un type différent qui assurent
une protection au niveau de notre FPGA. La configuration de ces deux BJT est appelée
complémentaire de Darlington et a un avantage de provoquer une chute de tension de 0,6 volts
contrairement au circuit de Darlington classique qui est de 1.2 volts. Lorsque le signal du FPGA
est envoyé, le PNP se met à conduire et on a une tension à la sortie de 5 volts. Pour avoir le
courant nécessaire, il suffit d’y insérer une résistance après la sortie.
Structure du prototype
Tout d’abord, on a réalisé une structure en bois sur roulettes afin de faciliter le
déplacement du montage sur plexiglas du générateur et aussi pour faciliter le travail sur celui-ci
ainsi que les tests. Les composantes du générateur ont été fixées sur une plaque plexiglas d’un
quart de pouce afin d’avoir une isolation électrique entre les composantes et ainsi éviter que
des arcs se produisent entre les pièces. On a d’abord schématisé le circuit entier sur le plexiglas
afin de pouvoir déterminer la surface que prendra chaque étage, la disposition des pièces ainsi
que le redresseur double alternance, tout en prenant en considération la longueur de 2,9 m de
notre câble isolé à 25 kV qui doit traverser chacun des 10 tores. Les électrodes permettant la
décharge sont fixées sur le côté de la plaque de plexiglas, le long de la structure en bois. Le
circuit de déclenchement des thyristors ainsi que celui de commutation du relais ont été soudés
sur une plaque de plexiglas et fixés au centre de la structure de bois, sous le générateur.
L’alimentation de ces deux circuits se fait à l’aide de deux transformateurs 115/25V connectés
en série et fixés près du centre du montage au-dessus des roulettes. L’alimentation du
générateur provient d’un transformateur 120/12000V que l’on régule à l’aide d’un
27
autotransformateur (0 à 140V) qui permet alors de fournir la tension de 1 kV que l’on a besoin à
chaque étage et le tout est fixé sur une plaque de plexiglas et placé au dessus des roues, en
dessous du redresseur double alternance. Une prise DDFT est fixée sur un des piliers vers
l’intérieur de la structure, au-dessus de l’autotransformateur.
Mesure haute tension
Puisque la haute tension délivrée par le générateur lors de la décharge ne peut être
mesurée par un voltmètre standard, il est donc de mise de mesurer cette tension par
l'intermédiaire d'un diviseur capacitif. Il est préférable d'avoir recourt au diviseur capacitif qu'au
diviseur résistif puisque celui-ci permet de minimiser les pertes d'énergies. Le schéma de
montage ressemble à la figure suivante :
Figure 23:Diviseur capacitif
En procédant au dimensionnement correct des deux condensateurs en série, on peut
diminuer la tension aux bornes de C2 et ainsi obtenir une tension mesurable par un oscilloscope
quelconque.
28
Oscilloscope
Afin de vérifier que les temps de montée et de descente respectaient ceux d’un choc de
foudre, on a utilisé un oscilloscope Tektronix TDS 2022B comme outils de visualisation. Puisque
l’onde propagée à la sortie est ultra rapide, il fallait calibrer correctement l’oscilloscope dans le
but de capturer seulement l’image voulue.
Figure 24: Oscilloscope Tektronix
La marche à suivre pour capturer cette image est fort simple. Une fois l’appareil mis en
marche, il suffit d’appuyer sur le bouton ‘Trig menu’ et ajuster de façon suivante :
Type : Front Pente : Montante Source : CH1
Mode : Normale Couplage : CC
Puis, il faut régler au niveau approprié les boutons ‘trigger level’, Volts/Div et Sec/Div.
Une fois ceci fait, l’oscilloscope sera fin prêt à se déclencher lorsque le bouton ‘Single seq’ aura
été pressé. Une fois l’impulsion envoyée, celle-ci est captée par l’appareil de mesure et toutes
les informations nécessaires de cette onde se retrouvent dans les mesures tel que le temps de
monter et la valeur maximale.
Sonde 1000X P6015
Cette sonde, compatible avec l’oscilloscope précédent, permet de diminuer d’un facteur
1000 la tension mesurée, permettant ainsi de préserver l’appareil. Cette sonde vient avec une
boîte de compensation qui n’a d’ailleurs pas été modifiée puisqu’elle était déjà entièrement
calibrée. Grâce à cette sonde, il a été possible d’acquérir la forme de l’onde directement aux
bornes de l’arc, ce qui nous assure une véracité indiscutable.
29
Mesures de protection
Dans le domaine de la haute tension, les phénomènes électriques ne sont pas les mêmes
qu’en basse tension, mais surtout, les circuits doivent comprendre de multiples mesures de
protection afin de conserver intact non seulement l’équipement, mais aussi l’utilisateur. Il a
donc fallu lors du présent montage, ajouter quelques pièces pour surveiller si les condensateurs
sont chargés et pour empêcher la tension de devenir trop élevée aux bornes du thyristor.
Protection au condensateur
Après la décharge, les condensateurs recommencent immédiatement à se charger. Il est
donc pratiquement impossible de stopper l’expérimentation et d’espérer que les condensateurs
soient totalement déchargés. Donc, comme le montre le circuit ci-dessous, on placera en
parallèle avec le condensateur du premier étage un témoin lumineux en série avec une
résistance qui sera activé par un relais. Ainsi, lorsque le relais sera passant, tous les
condensateurs pourront se décharger par cette branche. Une fois la décharge terminée, la
lampe va tout simplement s’éteindre, nous indiquant de ce fait la sureté du circuit.
Lampe témoin
Varistance
Thyristor
Figure 25: Circuit de protection
30
Protection du thyristor
S’il advient un problème lors de la fermeture simultanée des thyristors et que l’un de
ceux-ci n’entre pas en conduction, celui-ci sera soumis à une tension multiplicative par rapport
au nombre d’étages précédemment déclenché. Ceci aurait pour cause de griller instantanément
ce thyristor. Pour contrer ce genre de défaut, les thyristors seront protégés par une varistance
mise en parallèle avec chacun d’eux. Le principe de la varistance est simple, celle-ci à une
résistance variable selon la tension vue à ces bornes. À basse tension, la résistance vue est très
grande donc aucun courant n’y circule, mais lorsque la tension s’approche de celle que l’on ne
veut pas dépasser, la varistance commence progressivement à conduire puisque sa résistance
diminue, et ce, jusqu’à une valeur pratiquement nulle. Toutes les gammes de tension sont
disponibles sur le marché. Il suffit de sélectionner la tension à laquelle on veut que cette
dernière entre en conduction. Il est présenté ci-dessous l’allure idéale de la courbe courant-
tension d’une varistance.
Figure 26: Courbe idéale courant-tension d'une varistance
31
Prise DDFT
Une prise à disjoncteur de fuite à la terre
(DDFT) permet de réduire les possibilités de chocs
électriques et d’électrocution. Une telle prise est
uniquement conçue pour protéger des chocs
électriques si le courant fuit à la terre. Elle vérifie
ainsi l’intensité du courant qui sort par le fil noir et
celle qui revient par le fil blanc. S’il y a une
différence de courant entre les deux fils, la prise
déduit qu’une partie du courant s’échappe par une
autre voie et elle se déclenche.
Le principe interne de fonctionnement est plutôt simple. Il comporte un circuit
magnétique en forme de tore où sont bobinés les circuits phase et neutre (fil noir et fil blanc)
comme on peut le voir sur la figure ci-dessous. Lorsqu’il n’y a fuite ou de courant résiduel de
défaut, le flux créé par chacune des bobines s’annule et rien ne se produit. Si un défaut survient,
le courant de fuite produit un déséquilibrement des flux des bobines et un flux magnétique
apparaît dans le tore. Une force électromotrice se produit alors dans la bobine de détection qui
alimente l’électro-aimant et qui provoque l’ouverture du disjoncteur.
Figure 28: Fonctionnement prise DDFT
Figure 27: Prise DDFT
32
Étude des courants
Lors de la conception de notre générateur de Marx, il est nécessaire d’étudier les
courants lors de la charge et de la décharge de notre générateur. Cette étude nous permettra
de dimensionner les pièces selon le courant qui circule dans chacune et la puissance qu’il faudra
qu’elles dissipent. Une simulation à l’aide de Matlab sera effectuée afin de valider notre modèle
théorique ainsi que les calculs.
La charge
Lors de la charge, les thyristors sont bloqués et les condensateurs se chargent à la
tension appliquée aux bornes de l’alimentation. Comme, on peut remarquer sur la figure 13, les
condensateurs seront chargés à 1000 volts. Lorsque les condensateurs sont chargés, ceux-ci
deviennent un circuit ouvert et le générateur est en attente de l’impulsion aux gâchettes des
thyristors afin de les mettre en conduction. Dans la figure suivante, les thyristors sont
représentés par des éclateurs.
DC
300 ohms
60 ohms 3.9 ohms
300 ohms
60 ohms
300 ohms
60 ohms
300 ohms
60 ohms
50
00
oh
ms
Étage 1 Étage 2 Étage 9 Étage 10
10
00
vo
lts
10
00
vo
lts
10
00
vo
lts
10
00
vo
lts
3.9 ohms 3.9 ohms 3.9 ohms
1000 volts
Figure 29: Circuit électrique du générateur de Marx lors de la charge
33
La décharge
Lors de la décharge, l’interrupteur au niveau de la source est ouvert et les éclateurs sont
remplacés par un bout de fil, car les thyristors sont passants. À la figure 14, quelques étages ont
été représentés afin d’alléger le dessin.
DC
300 ohms
60 ohms
300 ohms
60 ohms
300 ohms
60 ohms
300 ohms
60 ohms
50
00
oh
ms
Étage 1 Étage 2 Étage 9 Étage 101
00
0 v
olts
10
00
vo
lts
10
00
vo
lts
10
00
vo
lts
3.9 ohms 3.9 ohms 3.9 ohms 3.9 ohms
1000 volts
Figure 30: Schéma électrique du générateur de Marx lors de la décharge
L’étude du dernier étage
Commençons par étudier le dixième étage. Celui-ci est différent des autres et aidera à
comprendre le principe de la propagation du courant. Voici l’étage numéro dix lorsqu’il est en
conduction. La figure 15 est l’étage tiré de la figure 14 représentant le générateur de Marx dans
son ensemble.
300 ohms
60 ohms
50
00
oh
ms
10
00
vo
lts
Étage 10
3.9 ohms3.9 ohms
Figure 31: Représentation du dernier étage du générateur
34
À la figure 16, on remarque le schéma équivalent de la figure 15.
300 ohms
60
oh
ms 5
00
oh
ms
10
00
vo
lts
3.9 ohms
3.9 ohms
Figure 32: Circuit équivalent du dernier étage du générateur
Afin d’effectuer le schéma équivalent de cet étage, il est nécessaire de diviser la
résistance de limitation de courant par le nombre d’étages, car celle-ci n’est pas vue seulement
par cet étage. À la figure 17, on a les sens du courant circulant dans le circuit. Comme on le
remarquer, lorsque le condensateur se décharge, on a un diviseur de courant avec les
résistances de 300 et 5 ohms ainsi que l’autre groupe de résistance qui comprend les 60, 5, et
500 ohms. Ainsi, une partie du courant de chaque condensateur contribue à l’étage inférieur de
celui-ci mis à part le dernier étage.
300 ohms
60
oh
ms 5
00
oh
ms
I1I2I3
I4
I5
3.9 ohms
3.9 ohms
Figure 33:Schématisation des courants circulant ainsi que leur sens
Voici les résultats obtenus lors du calcul des courants. Les calculs sont présentés en
annexe.
Tableau 1:Valeur des courants du dernier étage
Courant Résultat (A)
I1 21,94
I2 3,29
I3 18,65
I4 16,66
I5 1,76
35
Le premier étage
Voici le premier étage de notre générateur de Marx.
300 ohms
60 ohms
300 ohms
Étage 1
10
00
vo
lts
3.9 ohms Figure 34:Schéma du premier étage du générateur
Celle-ci est différente de tous les autres étages à même titre que le dernier étage. Il est à
remarquer que lorsque le condensateur se décharge, il n’y a aucun diviseur de courant. Donc, il
se décharge dans le thyristor. Voici le schéma équivalent.
v
60
oh
ms 5
00
oh
ms
10
00
vo
lts
3.9 ohms
Figure 35:Schéma équivalent du premier étage
On peut remarque que l’étage supérieur envoie un courant qui entre dans le thyristor.
Ainsi, comme à la figure 20, le courant I2 résulte de la somme du courant envoyé par l’étage
supérieur et du courant de la branche du condensateur.
60
oh
ms 5
00
oh
ms
I1 I2
I3
I4
I6 3.9 ohms
Figure 36:Schéma équivalent du premier étage avec le sens des courants
36
Voici les résultats obtenus lors du calcul des courants. Les calculs sont présentés en
annexe.
Tableau 2:Valeur des courants circulant au premier étage
Courant Résultat (A)
I1 18,65
I2 21,94
I3 19,6
I4 2,33
Le deuxième étage
Voici le deuxième étage. Cet étage est similaire à tous les étages sauf la première et la
dernière. En effet, ces étage contribuent à l’étage inférieur et ont une contribution de l’étage
supérieur.
300 ohms
60 ohms
300 ohms
10
00
vo
lts
3.9 ohms3.9 ohms
Figure 37:Schéma du deuxième étage du générateur
Voici le schéma équivalent de cet étage à la figure 22.
300 ohms
60
oh
ms 5
00
oh
ms
10
00
vo
lts
3.9 ohms
3.9 ohms Figure 38:Schéma équivalent du deuxième étage du générateur
37
À la figure 23, on peut remarquer que le courant sortant de la branche du condensateur
est divisé et se sépare par les courants de I2 et I3. La contribution de I6 qui est le courant de
l’étage supérieur est additionnée à I3, car on a un bout de fil.
300 ohms
60
oh
ms 5
00
oh
ms
I1I2I3
I4
I5
I6 3.9 ohms
3.9 ohms Figure 39:Schéma équivalent du deuxième étage avec le sens des courants
Voici les résultats obtenus lors du calcul des courants. Les calculs sont présentés en
annexe.
Tableau 3:Valeurs des courants circulant pour le deuxième étage
Courant Résultat (A)
I1 21,94
I2 3,29
I3 21,94
I4 19,61
I5 2,33
I6 3,28
38
Simulation
Afin de valider les calculs et notre modèle théorique, nous avons effectué une simulation
à l’aide de Simulink qui est un outil du programme Matlab. Lors de cette simulation, la source
utilisée est une source DC. En réalité, le générateur est alimenté à l’aide de trois
transformateurs et un redresseur double alternance, mais lorsque l’on simulait à l’aide de la
source réelle, des pertes à la sortie des transformateurs étaient visible et ne reflétait pas la
réalité. De plus, nous ne connaissons pas les paramètres des transformateurs. En insérant une
source DC comme alimentation lors de nos résultats, on s’assure que notre condensateur soit
alimenté à 1000 volts sans aucune perte.
Afin de simuler le contrôle de thyristors pour commuter notre générateur de Marx, nous
avons mis des interrupteurs idéaux que l’on contrôle par un interrupteur manuel. La tension de
sortie est mesurée aux bornes du condensateur. Ainsi comme dans Matlab on ne peut
représenter une décharge, on mesure la tension produite de notre générateur par le
chargement d’un condensateur.
39
Figure 40: Banc d'essai
40
Phase d’expérimentation préliminaire
Le prototype étant composé de pièces assez dispendieuses, il était préférable de
procéder à des essais à plus petite échelle, afin de s’assurer que le tout soit fonctionnel. Ces
essais ont été effectués avec les véritables pièces du montage, mais certains facteurs tel que le
courant de maintien étaient contrôlés.
Déclenchement des thyristors
Premièrement, il fallait d’abord faire fonctionner le circuit de déclenchement. Celui-ci a
donc été monté sur une plaquette de prototypage. Les points à vérifier étaient dans l’ordre
suivant :
- Le condensateur doit se charger à la tension voulue.
- Le thyristor doit être passant lorsque le bouton poussoir est pressé.
- L’impulsion envoyée dans le fil 25kV doit être au minimum de 2,5V.
Lors de ces tests, le thyristor du circuit de déclenchement n’entrait pas en conduction. Le
problème a été réglé en doublant la tension fournie au condensateur, ainsi le courant
d’amorçage nécessaire était atteint. L’impulsion étant maintenant fonctionnelle, le circuit
suivant a été monté sur la plaquette pour tester le déclenchement des thyristors.
Figure 41: Circuit de déclenchement des thyristors lors des phases préliminaires
41
Initialement, les tores avaient été bobinés à 15 tours, mais lorsque ceux-ci sont en
charge (connectés à la gâchette et la cathode), la tension de l’impulsion était insuffisante. Alors,
les tours ont été réduits puisque 5 permettaient ainsi le déclenchement. Une fois ce test réussit,
il a fallu s’assurer que le fait de mettre plus d’un thyristor en série n’allait pas empêcher ceux-ci
de déclencher et ce test fut couronné de succès.
Protocole d’essais
Voici la procédure effectuée lors de chaque test du générateur :
Tout d’abord, l’alimentation de chacune des parties est vérifiée, soit l’autotransformateur (tout en s’assurant que son interrupteur soit à la position OFF), les transformateurs du circuit de déclenchement et l’oscilloscope.
On vérifie que le relais est ouvert afin de ne pas décharger par la résistance et qu’aucune composante non utilisée ne se trouve sur le générateur, ce qui pourrait causer des courts-circuits.
On installe la sonde de mesure de l’oscilloscope à l’endroit où l’on veut mesurer, soit aux bornes des électrodes pour avoir la tension de sortie et la forme d’onde.
On commence l’alimentation du transformateur à l’aide de l’autotransformateur, en positionnant son rhéostat à la position 0V avant de mettre l’interrupteur à la position ON.
On alimente peu à peu le transformateur en augmentant la tension de sortie de l’autotransformateur.
On vérifie au fur et à mesure la tension aux bornes de chacun des condensateurs avec le multimètre afin qu’ils se chargent tous correctement et pour ne pas dépasser la valeur de 1kV maximale pour chacun.
On appuie sur le bouton poussoir pour envoyer l’impulsion de déclenchement lorsque la tension de charge voulue des condensateurs est atteinte et cela tout en prenant garde à la haute tension.
Lorsque les tests sont terminés, on ferme le relais afin de décharger les condensateurs dans la résistance et on vérifie à l’aide du multimètre que chacun des condensateurs s’est bien déchargé.
On ouvre ensuite le relais et on ferme l’alimentation des transformateurs et de l’autotransformateur.
On vérifie à nouveau à l’aide du multimètre la tension aux bornes des condensateurs pour s’assurer qu’ils sont tous déchargés.
42
Résultats
Simulation
Comparaisons des résultats théoriques et de simulation
Tableau 4: Résultat du dernier étage
Courant Résultat (A)
I1 20.01
I2 3.1
I3 17.03
I4 15.8
I5 1.26
Tableau 5:Résultat du premier étage
Courant Résultat (A)
I1 17.1
I2 20.25
I3 15
I4 4.31
Tableau 6: Résultat du deuxième étage
Courant Résultat (A)
I1 20.15
I2 3.1
I3 20.09
I4 17.02
I5 4.3
I6 3.1
43
Système de déclenchement
Impulsion de sortie du générateur d’impulsion
Figure 42: Résultat de l'impulsion de sortie du générateur d'impulsion
44
Impulsion au secondaire du tore
Figure 43: Résultat de l'impulsion au secondaire du tore
45
Onde de choc
Onde de choc à 10 kV
Figure 44:Résultat de l'Onde de choc à 10 kV
46
Onde de choc à basse tension
Figure 45: Résultat de l'onde de choc à basse tension
47
Tension de sortie à tension différente
Figure 46: Résultat comparatif des sorties de tension du générateur
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
0 1 2 3 4 5 6 7
Ten
sio
n (
v)
Numéro d'essai
Comparaison des résultats de tension de sortie
Tension de sortie théorique
Tension de sortie pratique
48
Comparaison des résultats
Étude des courants
Tableau 7: Dernier étage
Résultats (A) Courant Théorique Simulation Erreur (%)
I1 21.94 20.01 8.80
I2 3.29 3.08 6.38
I3 18.65 16.97 9.01
I4 16.66 15.7 5.76
I5 1.76 1.23 30.11
Tableau 8: Premier étage
Résultats (A)
Courant Théorique Simulation Erreur (%)
I1 18.65 17.04 8.63
I2 21.94 20.16 8.11
I3 19.6 15.845 19.16
I4 2.33 4.31 84.98
Tableau 9: Deuxième étage
Résultats (A) Courant Théorique Simulation Erreur(%)
I1 21.94 20.09 8.43
I2 3.29 3.08 6.38
I3 21.94 20.09 8.43
I4 19.61 15.8 19.43
I5 2.33 4.3 84.55
I6 3.28 3.08 6.10
49
Tableau 10:Tension de sortie théorique vs pratique
Essaie Tension sortie théorique(V)
Tension sortie Pratique(V) Erreur (%) Efficacité (%)
1 76 61.6 18.95 81.05
2 1060 940 11.32 88.68
3 2210 2080 5.88 94.12
4 5139 4960 3.48 96.52
5 7515 7200 4.19 95.81
6 10000 8480 15.20 84.80
Tableau 11: Tension de sortie théorique vs simulation
Essaie Tension sortie théorique Tension sortie Simulation Erreur (%) Efficacité (%)
1 76 63 17,11 82,89
2 1060 878 17,17 82,83
3 2210 1830 17,19 82,81
4 5139 4256 17,18 82,82
5 7515 6230 17,10 82,90
6 10000 8296 17,04 82,96
Tableau 12: Temps de montée et de descente de l’onde de choc
Valeur Temps monté Temps de descente
Théorique 1.2 +- 0.36 us 50 +- 10 us
Pratique haute tension 353 ns 10 us
Pratique basse tension 1.036 us 45 us
50
Bilan des activités
IV. 1 Arrimage formation académique/application pratique projet
Le présent projet nous a permis d’utiliser des connaissances acquises lors de cours tel
que dynamique des systèmes, pour ce qui est des calculs au niveau des circuits électriques
(RLC). Les cours d’électronique nous aidé par rapport au fonctionnement des thyristors, de leur
circuit de déclenchement, du dimensionnement des varistances servant de protection. Le cours
d’électrotechnique fut d’une grande aide par rapport aux transformateurs, aux tores et aux
calculs de puissance. Enfin, l’électronique de puissance a permis de dimensionner les
redresseurs double alternances ainsi que leurs composantes.
Nous avons beaucoup appris au niveau du générateur de Marx, puisqu’on n’avait aucune
idée de ce que c’était avant de réaliser ce projet. On s’est familiarisé beaucoup plus avec
l’oscilloscope et ses différentes fonctionnalités. De plus, on a acquis des méthodes de travail
pour ce qui est de la haute tension ainsi que des dangers qui y sont reliés. C’est ce qui nous a
permis de travailler beaucoup sur l’aspect sécurité.
Une lacune que l’on trouve majeure au niveau de notre formation est de ne pas avoir le
cours ingénierie de la haute tension comme un cours obligatoire et non optionnel au niveau du
Baccalauréat en génie électrique. Le projet que l’on vient de réaliser est parfaitement étudié
dans ce cours que plusieurs ne feront pas. Nous trouvons que du côté électronique, des
composantes que l’on a utilisées lors de notre projet, tel les varistances et les thyristors sont
peu étudiés lors des cours d’électronique.
Travail d’équipe
Honnêtement au niveau du travail d’équipe tout s’est parfaitement déroulé entre les
coéquipiers. Il n’y avait pas vraiment de rôle attribué, il était décidé en équipe de ce qu’il y avait
à faire et parfois des tâches étaient attribuées s’il le fallait. Tout le monde a mis la main à la pâte
pour ce qui était de réaliser le montage, même si chacun avait un emploi cet été qui le rendait
indisponible par moment. On a vraiment apprécié faire ce projet et on n’aurait aucun problème
à en faire un autre ensemble.
51
Respect de l’échéancier
Tout d’abord, beaucoup de changements ont été apportés au niveau des dates des
différentes tâches de l’échéancier. Cela s’explique par le fait que le fonctionnement du circuit de
déclenchement des thyristors nous a causé beaucoup plus de problèmes que prévu. On a
changé plusieurs fois d’idée au niveau de la méthode de déclenchement pour finalement
trouver la bonne, mais seulement après avoir travaillé près d’un mois sur ce dernier. Cependant,
malgré tout cela, on sera tout de même dans les temps.
Les changements majeurs de l’échéancier se situent au niveau de tout ce qui se retrouve au
mois de juin et juillet. La période de travail au niveau du circuit de déclenchement a été
allongée de 35 jours jusqu’au 23 juillet. La commande des pièces du générateur s’est faite la
semaine du 12 juillet, ainsi que la rédaction du rapport d’étape #2 qui a été remis le 23 juillet.
Pour ce qui est de l’aspect sécurité qui a été apporté au montage, puisqu’il était important de
réaliser le circuit de déclenchement, on s’est concentré plus sur ce point lorsque le circuit de
déclenchement fut fonctionnel. Le montage du prototype s’est fait à partir du 26 juillet jusqu’au
6 août au lieu d’être en juin, car les pièces ont été commandées la semaine précédente et il faut
attendre leur réception. De plus, puisque le circuit n’a pas fonctionné du premier coup, il a fallu
travailler quelques jours pour « déboguer » le montage. La phase de test s’est faite après avoir
terminé le montage du prototype et qu’il fonctionne parfaitement, soit le 12 août. La rédaction
du rapport final a débuté le 13 août et se poursuivra probablement jusqu’à sa date de remise,
soit le 27 août. Le résumé a été débuté le 13 août et terminé le 16 août. Finalement, la
préparation à la présentation a été commencée le 13 août et elle se poursuivra jusqu’à la
présentation, soit le 25 août.
52
53
Analyse et Discussion
En premier lieu, les résultats de la simulation et des calculs théoriques sont généralement
similaires. En effet, on peut remarquer que le calcul du courant sortant de la branche du
condensateur est analogue. En ce qui concerne le courant qui est fourni à l’étage inférieur et le
courant passant dans le thyristor, celui-ci est le même. La différence au niveau des calculs
théoriques et des résultats des simulations est au niveau des courants circulant dans la 60 ohms
et le courant circulant dans la 5 ohms. Comme le courant du thyristor est divisé entre les deux
branches, il est normal que les deux résultats soient différents que ce soit dans les calculs
théoriques ou de la simulation, car la valeur est dépendante l’une de l’autre. De notre part,
l’erreur est peut-être résultante de la branche possédant la 60 ohms. Il se peut que le circuit
voie une résistance équivalente différente. Comme le circuit est complexe, nous avons
dimensionné les valeurs des résistances avec celles qui sont les plus élevées. Ainsi, afin de
dimensionner la résistance limitant le courant, nous avons utilisé la valeur déterminée en
théorie, car elle est plus élevée que celle de la simulation. Pour dimensionner la valeur de 60
ohms et de 5 ohms, la valeur de simulation a été utilisée, mais même en utilisant la valeur
calculée, la tension à ses bornes ne dépasse pas la tension maximale.
De plus, la simulation ne tient pas compte de plusieurs paramètres tels que la résistance de
fuite des condensateurs. Le programme employé permet d’utiliser des condensateurs sans
pouvoir insérer des paramètres qui sont propres à nos pièces. Si dans le modèle utilisé du de ce
dernier, celui-ci possède une valeur de résistance de fuite basse et qu’une haute résistance de
charge est insérée à l’entrée du générateur afin de charger les condensateurs lentement, un
diviseur de tension sera produit et les condensateurs ne seront pas charger à la tension d’entré.
En second lieu, un des défis que le projet comportait était de générer la fermeture de
multiples thyristors simultanément. Pour ce faire, la méthode choisie consistait à induire un flux
à travers un circuit magnétique soit un tore circulaire qui nous permettrait d’induire une tension
au secondaire suffisante au déclenchement de nos commutateurs. Cette technique nous
permettait de disposer d’une isolation galvanique entre le circuit de commande et de puissance.
Pour y arriver, le soi-disant circuit de déclenchement devait fournir au primaire des tores une
impulsion de tension suffisante qui varie dans le temps pour obtenir une induction. Cette étape
fut un grand succès, car l’onde émise permettait un déclenchement de tous les thyristors à tous
les coups sans exception. En effet, l’impulsion au secondaire du tore possède toujours les
caractéristiques nécessaires à la commutation du SCR.
54
En troisième lieu, l’objectif ultime était de réaliser une onde de choc possédant les
caractéristiques d’un choc de foudre. Bien sûr, les premiers essais ont été effectués à basse
tension. Comme on peut le remarquer par les résultats fournis, le choc de foudre à 128V
respecte la norme IEEE. Selon la définition, celui-ci comporte un temps de monté de 1,2 ±
0,36 µs et un temps de queue de 50 ± 10 µs, ce qui confirme nos résultats en basse tension. Par
contre, lorsque la tension s’élève au-delà de 2 kV les caractéristiques obtenues s’éloignent de
plus en plus de la norme à respecter. Lorsque la tension atteint 10 kV, on obtient une onde qui
varie beaucoup trop rapidement dans les environs de 4 kV et plus. On explique ceci par la
technologie de nos résistances qui n’ont pas été conçues pour de telles expériences. En réalité,
faute de budget, on a utilisé pour le prototype les résistances disponibles au laboratoire qui
sont parmi les plus bas de gamme. Il aurait été possible de se procurer des résistances plus
dispendieuses, par exemple des résistances bobinées, qui sont conçues à l’aide d’un fil de cuivre
qui permet de chauffer sans briser la résistance et sans changer sa valeur. Il faut tout de même
admettre que l’objectif étant d’obtenir un choc de foudre à haute tension, seule la haute
tension a été obtenue, et ce, avec une efficacité excellente. On peut aussi expliquer les mauvais
résultats au niveau de l’onde par le retrait du diviseur capacitif qui avait été tenu en compte lors
des calculs du générateur.
Finalement, la démarche employée a tout de même été adéquate en vue d’une conception
en ingénierie. Celle-ci a été composée de plusieurs étapes dont premièrement la recherche
d’informations sur le sujet, les calculs théoriques, la simulation d’un prototype virtuel sur
Matlab/Simulink et au final la création d’un prototype réel. Malheureusement, des coûts trop
élevés nous ont empêchés de procéder à la construction d’un générateur de Marx de qualité.
Celui-ci a été fait avec les pièces les moins coûteuses possible et cela s’est reflété sur les
résultats. L’étude de notre projet fût beaucoup plus poussée que ce que notre prototype
permet d’effectuer. Ainsi, l’électrode, le bassin d’eau et le circuit d’aide à la commutation ont
été dimensionnés, mais non utilisés. Pour certaines de ces conceptions d’autres techniques ont
été employées, telle que le redresseur double alternance, qui générant une onde passant par
0V, rendait inutile le circuit d’aide à la commutation. Le diviseur capacitif quant à lui a été retiré
lors de l’expérimentation, car celui-ci n’était pas approprié pour la fréquence de l’impulsion
puisqu’un court-circuit se produisait dans ce dernier dû au régime transitoire trop rapide.
Puisque l’énergie libérée lors de l’impulsion était peu élevée, aucune onde de pression n’aurait
été créée, ce qui explique l’abandon de l’idée du bassin d’eau.
55
Conclusion et recommandations
Pour conclure, le projet consistait à la conception d’un générateur d’impulsion haute
tension et à la réussite de l’acquisition de la forme d’onde. Celui-ci, de façon académique, sert à
la synthèse des connaissances acquises lors du BAC en génie électrique. Il nous a permis de
développer un processus scientifique de conception basé sur l’enseignement reçu. Par ailleurs,
celui-ci s’est avéré être une réussite confirmée, puisque compte tenu des ressources les
résultats sont tout de même très bien. Les résultats en basse tension sont parfaits et les
résultats en haute tension tendent vers des résultats souhaités, mais avec quelques
divergences. En ce qui concerne l’acquisition de la forme d’onde, cette dernière s’est adonnée
être plus facile que prévu, puisque le corps de recherche du CIGEL nous a procuré une sonde
compatible à notre oscilloscope permettant de mesurer l’onde à haute tension.
Il faut aussi rappeler que le prototype conçu n’était qu’une preuve de concept et que
celui-ci ne pourrait servir à des tests de nature destructive. En effet, le présent prototype
pourrait être amélioré de plusieurs façons. Dans un projet futur, le budget allouer pourrait
servir a amélioré certaines pièces de notre générateur tel que les résistances et des
condensateurs pouvant déployer plus d’énergie. De plus, pour un fonctionnement automatisé,
le FPGA conçu précédemment pourrait être intégré au circuit de déclenchement. Aussi, il serait
intéressant d’améliorer le système de décharge des condensateurs parce que celui-ci fonctionne
de façon très lente. Il faut avouer que si l’on avait pu se procuré un transformateur 120/1000 AC
, on aurait éviter la charge lente des condensateurs due à l’utilisation d’un transformateur ayant
une impédance de sortie très élevée. En dernier lieu, le fait de travailler durant la période
estivale sur un projet d’une telle envergure a posé quelques problèmes puisqu’il a été
nécessaire de contacter le personnel et durant cette période ceux-ci profitent de leurs congés,
et ce, parfois tous en même temps.
Tout de même, ce projet fut une expérience agréable et plus que profitable à notre
apprentissage.
56
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58
Annexe A
Calcul
Étude des courants
Le dernier étage
Le premier étage
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Le deuxième étage
Calcul des capacités de choc :
Calcul de la capacité objet :
Surface de l’électrode :
Calcul de l’amplification résultante de l’effet de pointe :
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Calcul des composantes du générateur de Marx
Calcul des résistances :
1) Détermination du paramètre X
2) Détermination du paramètre Θ :
Sur l’abaque, à une valeur α de 6,7 sur la courbe T2/Θ, on trouve une valeur de
T2/Θ sur l’échelle graduée verticale de 10.
3) Détermination de R1 :
Ce qui donne une résistance de 4.13Ω par étage, soit 41.3Ω/10.
4) Détermination de R2 :
Ce qui donne une résistance de 60.5Ω par étage, soit 605.33 Ω/10.
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Calcul de vérification du choc de foudre :
Puisque les valeurs des résistances calculées précédemment ne sont pas disponibles, on
va utiliser une résistance de front de 3,9Ω et une résistance de queue de 60V. On peut retrouver
la valeur de et de α l’aide des formules suivantes :
On obtient ainsi avec un de 7.26 une valeur de T2/ approximative de 11, ce qui donne
une valeur de T2 de 53.24 µs. On peut aussi trouver une valeur pour le rapport T2/T1 de 50 et
ainsi trouver que T1 est de 1 µs avec la valeur précédente de T2. On peut donc conclure que le
tout est conforme à la norme pour un choc de foudre soit 1,2 ± 0.36 µs / 50 ± 10 µs.
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Annexe B
Dimensionnement des pièces1
Bien que les calculs aient été effectués selon les normes, ceux-ci auront à faire face à des
courants et des tensions à leurs bornes hors du commun. Afin que chacune des pièces tienne le
coup lors des fortes décharges, il faut tenir compte de plusieurs paramètres tels que la tension
maximale tolérée aux bornes de celle-ci.
Tout d’abord, on retrouve à l’entrée du générateur un pont redresseur constitué de 4
diodes. On utilise le pont de diode à double alternance afin d’obtenir un signal DC. Il faudra
donc que chacune de ces diodes soit capable de supporter la tension d’entrée soit, 1000 V et de
vérifier le courant y circulant à travers.
4 diodes
-1N3673A Tableau 13: Datasheet des diodes
Par la suite, on retrouve la répétition de 10 étages identiques suivant le principe du
générateur de Marx. Selon les calculs théoriques des courants circulant dans chacune des
branches, on peut ainsi retrouver la tension qui sera appliquée aux bornes de ces composantes.
1 Il est à noter que chacune des pièces a été trouvée sur www.DigiKey.com/CA et que leur numéro
d’identification est celui que l’on retrouve sur ce site.
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Tableau 14: Résistances utilisées avec les tensions et courants à supporter
Résistance(Ω) Courant(A) Tension aux bornes(V)
300 3.28 984.0
5 1.98 9.9
60 19.59 1175.4
5000 1.4 7000
Cette tension appliquée aux bornes des résistances doit être respectée puisque sinon, il
risque de se créer un arc entre ceux-ci provoquant ainsi un court-circuit non désiré. Pour ce
faire, un nombre adéquat de résistances devra être placé en série de façon à obtenir la valeur
résistive voulue. De plus, afin de procéder avec une certaine marge de sécurité, les résistances
choisit pourront supporter 600 V, mais les calculs pour en déterminer le nombre nécessaire
seront basés sur une tension maximale de 500V. On aura donc de cette façon, une marge de
sécurité de 100 V par résistance.
Résistances
300 = 300 CF 1 300 5% R
5 CF 1/4 5 5% R
60 = 60 CF 1 60 5% R
5200 = 4 * 1300 CF 1 1300 5% R
Tableau 15: Datasheet des résistances
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Thyristors
Pour s'assurer que les thyristors ne seront pas détruits instantanément lors de la
décharge, il faut les dimensionner de façon à se que ceux-ci résistent à la tension maximale
appliquée à leurs bornes et au courant le traversant. Cette tension sera celle de la tension de
charge et son courant approximativement de 20 ampères.
Figure 47: Datasheet des thyristors
Dimensionnement du CALC
Le courant circulant dans le thyristor au moment de la commutation est fixé à 200 mA
puisque le courant de maintien de celui choisi varie entre 100 et 150 mA. De plus, le circuit RC
sera conçu de façon à avoir 100 mA après 100 µs.
Détermination de la résistance Rs :
Rs = 6667 Ω
Détermination de la capacité Cs :
Cs = 13,65 ηF
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Dimensionnement du diviseur capacitif
Le circuit diviseur capacitif sera placé en parallèle avec la capacité objet afin d’obtenir
une capacité équivalente de 10 ηF. Sachant cette information, on peut tenter de dimensionner
les deux condensateurs en série qui formeront ce circuit.
Figure 48: Diviseur capacitif
Où, Vht est la haute tension, V est la basse tension voulue et C1 le condensateur haute
tension. Dans le cas présent, on désire mesurer une tension de l’ordre de 10 V et puisque la
capacité basse tension sera beaucoup plus grande, on donne directement une valeur de 10 ηF à
C1. Ainsi, la capacité équivalente sera d’environ 10 ηF.
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Annexe C
Fiche technique
Tore
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Varistances
Figure 49: Datasheet des varistances
Condensateurs
Figure 50 : Datasheet des condensateurs
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Figure 51: Datasheet des condensateurs (suite)
Relais
Figure 52: Datasheet des relais
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Thyristor
Résistance
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Diode
Tableau 16: Datasheet des diodes
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Annexe D
Abaque
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Annexe E
Bilan des coûts
Composantes Coût ($)
1 condensateur 40 kV 34.95
10 condensateurs 1.2 kV 152.00
12 Thyristors 213.04
10 varistances 22.07
1 Relai 32.11
Matériaux (plexiglas, roulette, bois, vis, fil) 107.59
4 Diodes 1.6 kV 35.56
Total : 597.32
