Alimentation électrique

Rappelons que l’application d’une tension continue entre deux électrodes situées dans un milieu gazeux reste une méthode classique pour réaliser une décharge. Chaque dispositif de décharge à sa propre caractéristique qui résulte du couplage entre :

La caractéristique du gaz à pression et sa composition ; La géométrie du dispositif.

Sur la figure 94 nous observons l’évolution de la courbe courant-tension d’une décharge d’arc.

Nous l’interprétons de la façon suivante. Au départ, une forte tension, appelée tension de claquage U_claquaque, doit être appliquée aux bornes des électrodes afin d’ioniser le gaz plasmagène et donc de créer le plasma (cf. section 2.2.4.1, chapitre 2). Une fois le gaz ionisé, le milieu devient conducteur ce qui provoque une brusque diminution de la tension aux bornes des électrodes.

Figure 94. Caractéristique tension – courant d’une décharge de type arc. Le domaine d’étude est signalé en rouge, il correspond au domaine des décharges à haute-tension et faible courant [144].

L’arc se comporte comme un dipôle d’impédance non linéaire. La zone en rouge correspond au domaine d’étude qui nous intéresse particulièrement, à savoir le domaine des décharges non thermiques avec une caractéristique de type haute tension – faible courant.

Un autre paramètre important à considérer est le point de fonctionnement de la décharge.

Celui-ci se situe à l’intersection de la courbe caractéristique de la décharge avec celle de la source (générateur). Il peut arriver que plusieurs points de fonctionnement soient ainsi déterminés, certains sont stables et d’autres pas. On démontre que les points où la caractéristique de la décharge possède une pente positive sont toujours stables [145][146]. En revanche, les points où la caractéristique possède une pente négative, ne sont stables que si la pente de la caractéristique du générateur est supérieure, en valeur absolue, à celle de la caractéristique de la décharge.

Figure 95. Variation de la stabilité des régimes de décharge en fonction du courant [144].

L’adaptation entre la source et la décharge apparaît donc d’une importance primordiale dans ce type d’application. L’alimentation d’une décharge dans la zone d’arc non thermique (points P5 et P6) est particulièrement délicate puisque la caractéristique de la source doit

163 6.2 Dispositif expérimental être quasiment verticale (source de courant idéale) et que dans ce cas, l’intersection entre l’alimentation et la décharge est très mal définie¹⁵.

La caractéristique électrique d’une décharge dépend donc de la caractéristique du gaz (composition chimique, pression), des paramètres géométriques (écartement inter-électrodes, taille et forme) et physiques (conducteurs ou non conducteurs) des électrodes. Les points de fonctionnement électrique d’un système dépendent des caractéristiques de la source électrique et du dispositif de décharge. L’analyse statique dans le plan courant-tension permet de déterminer les conditions nécessaires pour obtenir des points de fonctionnement stables.

Toutefois, ces conditions nécessaires ne sont pas suffisantes car elles résultent de l’étude des caractéristiques dynamiques de la source électrique et du dispositif de décharge.

Dans les générateurs de décharges, le contrôle de la puissance passe donc très souvent par celui du courant. Il s'agit là d'une problématique générale des plasmas et en particulier des plasmas non thermiques. Rollier [147] et Moreno [148] se sont intéressés aux comportements de trois technologies de sources de courant. Le principal inconvénient résidait dans le contrôle de la puissance injectée (courant) et dans la stabilité du régime de la décharge à maintenir.

Bien que dans notre cas d’étude une décharge continue ne présente pas les mêmes caractéristiques que le type de décharge utilisé par Rollier et Moreno, le contrôle de la puissance, ou le courant, représente un intérêt majeur.

De plus, nous nous confrontons à des milieux à très haute pression, où le comportement de la décharge n’est pas non plus le même que dans les études précédemment mentionnées. En effet, dans les milieux se rapprochant de la non-idéalité, les propriétés de transport du gaz varient fortement, notamment en ce qui concerne la conductivité électrique. Ainsi, deux autres facteurs rentrent en jeu, la tension d’amorçage de la décharge et la tension maximale que la source est capable de fournir à la décharge.

Comme nous l’avons vu précédemment, deux alimentations électriques ont été utilisées :

« Hacheur-Dévolteur » et « Convertisseur à résonance ».

La première a été utilisée dans les travaux de Moreno [148]. La seconde a été utilisée dans les travaux de Rollier [147].

Nous présentons dans ce qui suit les principales caractéristiques des alimentations électriques utilisées :

Hacheur – Dévolteur

Il s’agit d’un prototype développé dans le cadre d’une collaboration entre le LEEI (Laboratoire d’électrotechnique et d’Electronique Industrielle), la société CIRTEM (Centre d’Ingénierie et de Recherche des Technologies de l’Electronique Moderne) et le CEP. Cette source électrique permet :

15 L’angle entre la caractéristique de la décharge et celle de la source est très faible.

de contrôler de façon continue le courant en valeur moyenne et en valeur instantanée (afin d’éviter les points de fonctionnement à fort courant). La valeur du courant moyen de sortie est régulée entre deux valeurs de consigne (courant maximal et minimal) avec hystérésis. La boucle de régulation est réalisée à une fréquence proche de 10 kHz ;

de fournir une tension à vide maximale de 5000 Vet un courant réglable de 0 à ^{1 A} ; Convertisseur à résonance

Il s’agit d’une alimentation électrique commercialisée par la société TECHNIX. Cette alimentation basée sur une technologie de type « convertisseur à résonance série (LLC-SRC)

» est constituée des éléments principaux indiqués ci-dessous : Redresseur primaire ;

Onduleur ; Filtre ;

Transformateur HT ; Redresseur HT ;

Système de contrôle électronique.

Le convertisseur à résonance série se comporte comme une source de courant, ce qui signifie que le courant moyen de sortie reste constant quelle que soit la valeur de la charge et de la tension de sortie (dans les limites de l’alimentation). Cette propriété, très importante, persiste lorsque le convertisseur fonctionne dans des conditions sévères telles que des courts-circuits ou des arcs électriques. Cette alimentation électrique permet de contrôler le courant moyen pour des valeurs de consigne allant de 0 à 660 mA. La tension maximale en sortie est réglable entre 0 et 15 kV. La puissance maximale est de 10 kW.