Etude et réalisation des générateurs de champ électrique pulsé
3.4. Analyse par simulation du fonctionnement du générateur
3.4.3. Résultats et discussions
3.4.3.3. Influence de la résistance de la charge Rc
Dans cette partie, nous allons mettre la lumière sur l’un des paramètres très importants et influents sur le système de la génération d’impulsions haute tension qui est la résistance de la charge qu’on veut traiter Rc.
La figure 3.26 représente une simulation de fonctionnement du générateur pour deux différentes valeurs de la résistance de charge (5 MΩ, 30 Ω) en gardant les mêmes paramètres que la première simulation.
Chapitre.3. Etude et réalisation des générateurs de champ électrique pulsé
Fig.3.26. Comparaison entre les formes d’onde obtenues pour Rc= 10 Ω et Rc= 5 MΩ
1) Tension de chargement de condensateur C, 2) Tension d’impulsion fournie à la charge
Une grande résistance du produit à traiter RL est traduit par une difficulté de déchargement du condensateur et création d’une impulsion suivie par une déformation de la forme qui présente une longue queue et influe négativement sur le traitement puisque ceci provoque toujours une élévation indésirable de la température. La charge se comporte alors comme une capacité.
Cependant, la diminution de cette résistance conduit à une élévation de courant et provoque une chute brutale de la tension à la charge (comportement de court-circuit). Le procédé de champ électrique pulsé est conçu pour des résistances modérées et calculables. 3.5. Réalisation de générateur pulsé HT
Après l’analyse par simulation, on va décrire dans cette section les étapes de réalisation du générateur d’impulsion haute tension.
Chapitre.3. Etude et réalisation des générateurs de champ électrique pulsé
Avant de faire une conception de n’importe quel générateur d’impulsion HT, il est primordial de connaitre certaines grandeurs importantes liées à notre application pour garantir un fonctionnement correct et fiable. Ces paramètres sont :
1. Amplitude de la tension V désirée pour notre application. 2. Durée d’impulsion adéquate maximale ton.
3. Chute de tension imposée ∆V : c’est la chute de tension imposée dés le début avant de réaliser le générateur qu’on ne doit pas dépasser à la charge.
4. Fréquence de répétition d’impulsions f. 5. Résistance minimale de la charge à traiter RL.
Après la détermination de toutes ces valeurs relatives à l’application spécifique, on passe à la deuxième étape qui consiste en la détermination de la valeur adéquate de la capacité pour cette application.
Toutefois, les caractéristiques des impulsions sont influencées par l'énergie stockée dans la batterie de condensateurs, les performances et la puissance dissipée par les commutateurs, et également le taux de charge du condensateur [52].
L'énergie initialement stockée dans le condensateur C est :
ܧ = 12 ܥܸଶ 3.5
Où :
C : Capacité de stockage de l’énergie. V : Tension d’alimentation initiale.
Si S1 est ouvert et S2 est fermé, T-ton doit être suffisant pour que l’alimentation puisse charger suffisamment le condensateur. Ensuite, au cours de la période de temps ton, l'énergie fournie à la charge est :
ܧ= ܸܴଶ
Chapitre.3. Etude et réalisation des générateurs de champ électrique pulsé
Pour les applications en
stockée doit être transféré à la sortie pendant le mode d'impulsions, sinon la tension d'impulsion présente une forme d'onde typique de décharge RC comme le mon
3.27 (comme celle obtenue avec la commutation par éclateur) rectangulaire, comme représenté sur la Figure
Fig.3.27
Pour une charge résistive, la tension d'impulsion de décroissance comme suit :
ܸ ൌ ܸ Avec :
Vf: Tension finale délivrée à la charge (à la fin d’impulsion).
V : Tension initiale du condensateur, celle délivrée par
En considérant une charge résistive R
en fonction de l'énergie délivrée à la charge. Pour la chute de tension d'impulsion nécessaire
∆V0,
οܸ= Notons Efla différence entre ( fin de la décharge,
ܧൌ ܧ−
Chapitre.3. Etude et réalisation des générateurs de champ électrique pulsé
Pour les applications en Puissance Pulsée, seule une petite fraction de l'énergie stockée doit être transféré à la sortie pendant le mode d'impulsions, sinon la tension
e une forme d'onde typique de décharge RC comme le mon
(comme celle obtenue avec la commutation par éclateur) et non une forme presque re, comme représenté sur la Figure 3.21 [52].
3.27. Forme typique d'onde de décharge RC Pour une charge résistive, la tension d'impulsion de décroissance Vf
݁ି ௧ோಽ 3.7
à la charge (à la fin d’impulsion).
du condensateur, celle délivrée par l’alimentation.
En considérant une charge résistive RL, la capacité du condensateur C peut être déterminée en fonction de l'énergie délivrée à la charge. Pour la chute de tension d'impulsion nécessaire
ܸ
ܸ 3.8
entre (3.5) et (3.6) qui est l'énergie stockée dans le condensateur à la
− ܧ 3.9
, seule une petite fraction de l'énergie stockée doit être transféré à la sortie pendant le mode d'impulsions, sinon la tension e une forme d'onde typique de décharge RC comme le montre la figure et non une forme presque
Vfpeut être calculée
, la capacité du condensateur C peut être déterminée en fonction de l'énergie délivrée à la charge. Pour la chute de tension d'impulsion nécessaire
Chapitre.3. Etude et réalisation des générateurs de champ électrique pulsé
EC: Energie initialement stockée dans le condensateur C.
E0: Energie fournie à la charge.
A partir de l’équation (3.9) on peut écrire alors : 1
2 ܥܸଶ− ܸଶ
ܴ ݐ = ܥ (∆ܸ2ܸ)ଶ 3.10
Par conséquent, en se basant sur l’équation (3.10), la valeur de la capacité du condensateur doit satisfaire la condition suivante [52] :
ܥ ≥ ܴ 2ݐ
(1 − ∆ܸଶ) 3.11
En outre, l'alimentation HT continue doit être en mesure de recharger le condensateur C avec une énergie égale à l'énergie E0 fournie lors de l'impulsion précédente ainsi que les pertes, au cours de la charge pendant la période de temps T-tonavec une puissance qui peut être calculée par l’équation suivante.
ܲ =ܶ − ݐܧ
+ ܲௗ௨ 3.12
Avec
PVC: Puissance doit être fournie par l’alimentation continue pour créer une impulsion semblable à la précédente.
PPerdue: Pertes de puissance.
T : Période de signal. Exemple de calcul : [52]
Considérons un générateur d'impulsions HT, où V = 20 kV. Calculer la valeur du condensateur C pour ton = 50 μs, f = 1600 Hz, RL = 1 kΩ, ainsi que la puissance minimale de l'alimentation compte tenu de 20% de pertes dans le condensateur et la charge.
Solution : Compte tenu de la capacité C initialement chargé avec la tension V et une chute de tension de 5%, alors :
Chapitre.3. Etude et réalisation des générateurs de champ électrique pulsé ∆ܸ= ܸܸ = 1900020000 = 0,95 Il en résulte : ܥ ≥ 2ݐ ܴ(1 − ∆ܸଶ) = 2 × 50 × 10ି 1000(1 − 0,95ଶ) = 1,025µܨ
Si on opte pour une capacité de 1.2 μF, alors l'énergie stockée dans C est donnée par :
ܧ = 12 ܥܸଶ= 12 × 1,2 × 10ି20000ଶ= 240 ܬ L'énergie fournie à charge durant chaque impulsion est :
ܧ= ܸܴଶ
ݐ= 200001000 × 50 × 10ଶ ି= 20 ܬ
Cela signifie que à la fin l'impulsion, l'énergie stockée dans le condensateur C est 220 J, correspondant à une tension finale d'impulsion Vf= 19,149V qui représente chute tension de 4,2 %.
Enfin, l’alimentation V doit pouvoir recharger le condensateur avec 20 J, plus 4 J des pertes (soit 20%) durant le temps toff= T - ton = 625μs :
Avec :
T : Période de signal (ܶ =ଵ) ou f : fréquence de signal.
ton: Durée d’impulsion.
ܲ = ܶ − ݐܧ
Chapitre.3. Etude et réalisation des générateurs de champ électrique pulsé