GENERATEURS DE HAUTE TENSION

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1 ours de A. Tilmaine HAPITRE VII GENERATEURS DE HAUTE TENSION Les généraeurs de haue ension son uilisés dans : a) les laboraoires de recherche scienifique ; b) les laboraoires d essai, pour eser les équipemens haue ension avan leur uilisaion (isolaeur, câble, ransformaeur, appareils de coupure...) ; remarque: par mesure de sécurié, les ensions d essai uilisées son bien enendu supérieures à la ension de service de l équipemen esé. c) de nombreuses applicaions uilisan la haue ension (rayons X, effe couronne, généraeur d ozone, séparaion élecrosaique, laser ). Il y a rois ypes de ensions convenionnelles : Tension alernaive Tension coninue Tension de choc I) GENERATEURS DE TENSION ALTERNATIVE I.) Transformaeur élévaeur Le ransformaeur élévaeur représene la source de haue ension la plus répandue e la plus uilisée dans la praique. e son des ransformaeurs de faible puissance (de quelques cenaines de VA à quelques kva) don l objecif principal es de procurer une haue ension au dérimen du couran qui es de l ordre du milliampère généralemen. es ransformaeurs qui son desinés principalemen aux laboraoires d essais, doiven avoir une rès bonne isolaion car ils son appelés à supporer les nombreux claquages qui surviennen lors des ess. La forme de la HT délivrée par un ransformaeur HT es généralemen différene de la forme sinusoïdale, sans ouefois dépasser les olérances permises. es ransformaeurs possèden généralemen une borne de l enroulemen qui es reliée à la erre. De nombreux ransformaeurs son des ransformaeurs à poin milieu (voir figure). Pour des ensions supérieures à 750 kv, le coû, le ranspor e l encombremen deviennen rès gênans; On préfère alors recourir aux ransformaeurs monés en cascade. I.) ircui résonnan Dans les essais réalisés en haue ension, quelques fois il se produi une explosion de l équipemen esé, suie à l appariion d une fore surension générée par résonance élecrique. Exemple : considérons un isolan de capacié alimené par une Haue Tension délivrée par un ransformaeur (Figure ). r + jl ω : impédance de l enroulemen primaire du ransformaeur r + jl ω : impédance de l enroulemen secondaire du ransformaeur L ω : impédance shun du ransformaeur, généralemen négligée devan L ω e L ω. : charge capaciive d impédance ω. U = ω ( r + r ) I + j Lω+ L ω I L r L L r Figure : ircui élecrique équivalen du ransformaeur e de l isolan esé

2 ours de A. Tilmaine Si par hasard ω( L L + ), une résonance accidenelle se produi, le couran devien ellemen ω grand que la surension aux bornes de la charge aein jusqu à 0 à 50 la ension appliquée e peu provoquer une explosion de la charge. Le phénomène de résonance es mis à profi pour produire de rès haues ensions (figure 3) ; une impédance de réglage variable insérée en série avec la circui du ransformaeur perme de régler e d augmener la ension à des valeurs rès grandes (jusqu à 600 kv). Le régulaeur, alimené par une source BT alernaive, règle la ension en ajusan la valeur oale Figure 3 : ircui résonnan de l impédance réacive. Les circuis oscillans son uilisés surou dans les essais d équipemen à grande capacié, comme les câbles HT par exemple. Remarque : si l on a besoin d une ension plus grande, on uilise plusieurs circuis résonans en série. e ype de généraeur es spécialemen avanageux lorsque la capacié de l obje en essai es élevée, el que les câbles HT par exemple. L avanage spécifique es que la ension délivrée es praiquemen sinusoïdale e qu une compensaion de l énergie réacive s en sui (résonance série). II) GENERATEURS DE TENSION ONTINUE La haue ension coninue es uilisée dans de nombreuses applicaions, elles que : Réseaux HVD (High Volage Direc urren) Recherche fondamenale : il es plus facile de ravailler e d analyser les phénomènes avec une ension consane qu avec une ension consammen variable. De nombreuses applicaions nécessien une ension coninue (rayons X de la radiologie, séparaion élecrosaique, filre élecrosaique ). Dans les applicaions où les essais de es d équipemen à charge capaciive son rès nombreux ; pour des raisons économiques on évie la ension alernaive. II.) Redresseur de ension alernaive a) Redresseur à simple alernance : Transformaeur principal HT régulaeur Impédance de réglage apacié de la charge avec : : capacié de lissage du redresseur + capacié de l obje en essai + capaciés parasies. R : résisance de l obje esé + résisance de fuie du condensaeur de lissage. R Transformaeur HT Figure 4 : redresseur à simple alernance en charge Uc max Uc min U ension redressée U ension redressée T ension d alimenaion ension d alimenaion avec apacié de lissage sans apacié de lissage

3 ours de A. Tilmaine Diode haue ension : Elle es équivalene à la mise en série de n diodes convenionnelles. Le nombre de diodes n es déerminé suivan la ension inverse à supporer par l ensemble. Par exemple, pour redresser une ension de 00 kv, on me en série 00 diodes de 000 V chacune pour avoir une diode haue ension de 00 kv. b) Redresseur double alernance : onrairemen au redresseur à simple alernance, l alernance négaive es égalemen redressée. Il n y a pas de rès grande différence enre les monages redresseurs à simple e à double alernance, en présence d une capacié de lissage (figure 7). Uc max Uc min ension redressée Transformaeur HT R Figure 6 : Redresseur à double alernance en charge (pon de Graëz) ension redressée ension d alimenaion ension d alimenaion avec apacié de lissage sans apacié de lissage Figure 7 : courbes des ensions redressées délivrées par un pon de Graëz. c) Doubleur de ension : Il y a plusieurs ypes de doubleurs de ension, mais le principe es le même; Le plus répandu es le doubleur de Schenkel. Doubleur de Schenkel : Pendan l alernance négaive le condensaeur se charge à la ension V max, à l alernance suivane cee ension qui s ajoue à la ension du ransformaeur donne une ension aux bornes de égale à V max. La ension à vide obenue à la sorie es donc = V (figure 8 e 9). u max à vide en charge V max = V max =V max U a Transformaeur HT U a Figure 8 : Doubleur de Schenckel 3 Figure 9 : ourbes des ensions redressées délivrées par le doubleur de Schenckel

4 ours de A. Tilmaine Remarque : l avanage du doubleur de Schenkel es qu il consiue l élémen de base du redresseur en cascade. d) Redresseur en cascade : La cascade, appelée cascade de Greinacher ou de ockcrof-walon, es consiuée par une piles de doubleurs de ype Schenkel. omme chaque éage délivre une ension à vide égale à V max, la ension obenue (à vide) es = nvmax. avec n : nombre d éages. En charge : avec U nv I R = n f 3 U = max 3 n + n où I 6 R = U c R Transformaeur HT Figure 0 : ascade de Greinacher ou de ockcrof-walon à vide = nv max haque diode doi supporer une ension inverse égale à V max. Remarque : le nombre opimal d éages ne dépasse pas généralemen 0, car au delà la chue de ension devien rop imporane. e ype de généraeur délivre une ension qui peu aeindre 5 MV ; mais l ordre de grandeur du couran délivré qui es de 0 ma rese faible. II.) Muliplicaeur de ension La première phase consise à fermer les inerrupeurs pour charger en parallèle les condensaeurs i.après, on ouvre les inerrupeurs e on ferme S : les ensions des condensaeurs i qui son mainenan en série, s ajouen pour donner aux bornes de une ension de sorie = nu 0. avec n : nombre de condensaeurs i. Remarque : ce généraeur qui ne peu êre uilisé qu une fois les condensaeurs chargés, a une durée d applicaion bien déerminée (qui dépend de l énergie emmagasinée dans le condensaeur e de la consane de décharge) car quand les condensaeurs se déchargen, la ension ombe à zéro. _ + U 0 S i S i S i S i i Figure : Muliplicaeur de ension II.3) Généraeurs élecrosaiques : (Van de Graff) Uilisé enre aures dans les laboraoire de recherche de physique nucléaire. Principe de foncionnemen : 4

5 ours de A. Tilmaine Un ensemble d élecrode-poines ou une lame rès fine (élecrode couronne) charge par effe couronne une courroie isolane. elle-ci qui ourne avec une viesse réglable, inrodui les charges dans la parie supérieure du généraeur (sphère) où elles son prélevées par le colleceur. Les quelques charges qui «échappen» au colleceur son neuralisées par effe couronne grâce à des aiguilles fixées sur la paroi inerne de l élecrode haue ension. En arrivan en bas, ces charges négaives son neuralisées par l élecrode couronne. L élecrode sphérique coninue de socker les charges jusqu à aeindre des ensions, sphèreerre, considérables. Le généraeur Van de Graff n es pas rès uilisé car le couran délivré es faible (de l ordre du µa), mais la ension de sorie peu aeindre jusqu à une cenaine de MV.. Poine créan des charges par froemen. Poulie enraînée par moeur 3. Bande isolane ransporeuse de charges 4. Elecrode HT 5. olleceur de charges 6. Poulie supérieure isolée de la HT 7. Poine pour décharger le surplus de charges. 8. Enceine méallique mise à la erre. III) GENERATEURS DE TENSIONS DE HO Définiion : La ension de choc (ou impulsion) es une rès haue ension unidirecionnelle, appliquée pendan un emps rès bref de l ordre de quelques µs. es un couran ou une ension qui croî rapidemen jusqu à une valeur crêe, puis décroî jusqu à zéro. Les généraeurs de choc son nécessaires pour : Simuler les surensions des lignes comme l onde de la foudre par exemple, pour l éude e la recherche. réaliser des ess d essais sur les appareillages haue ension desinés à foncionner lors des surensions, els que les appareils de proecion conre les surensions. Remarque : l impac d un coup de foudre sur un réseau élecrique génère une onde de ension sur la ligne qui crée dans l enroulemen des ransformaeurs une disribuion inégale du poeniel e provoque la déérioraion de l isolemen. 5

6 ours de A. Tilmaine Tous les généraeurs de choc son idenifiés par les deux consanes de emps e : ( T ) =, T30 e = T50. L onde de choc sandard normalisée pour l éude de : la foudre es l onde,/50 µs ( =,µ s e = 50µ s ). la surension de manœuvre : l onde 50/500 µs ( = 50µ s e = 500µ s ). Remarque : le emps T cr de monée à la valeur crêe n es pas uilisé, car sur l oscillogramme la crêe es souven plae e on disingue mal le maximum. Le emps de monée à la valeur crêe T cr es appelé emps de fron, e le emps de diminuion T 50 es appelé emps de queue. III.) Généraeur de choc à un éage La ension coninue V charge le condensaeur jusqu à produire le claquage de l éclaeur E ; une ension brusque (choc) es ainsi appliquée aux exrémiés de la charge capaciive. : capacié de choc (réservoir d énergie) : capacié de l obje en essai ; = (0 0) : résisance de fron d onde (série) ; : résisance de queue d onde (parallèle) ; E v(),0 0,9 0,5 0, T 0 T 90 Tcr T 50 emps D ension Figure : Onde de choc convenionnelle R a E v() V V En général, le condensaeur se charge par l inermédiaire d un ransformaeur HT associé à une diode D. la résisance d amorissemen R a empêche une charge rop rapide. La consane de emps lors du processus de charge τ = R a es de l ordre de 0 à 0 s. Lorsque la ension disrupive U 0 de l éclaeur E es aeine, se décharge brusquemen dans à ravers la résisance de fron. la résisance de queue d onde éan beaucoup plus grande que, les capaciés e von se décharger ensuie plus lenemen dans cee résisance. Les résisances e serven à conrôler les consanes de emps respecivemen de fron e de queue de l onde. Ainsi, un emps de fron bref requier une charge rapide du condensaeur, e un emps de queue long nécessie une décharge plus lene ; ceci es réalisé en choisissan une résisance rès grande par rappor à. Quand R R, au momen de l amorçage de l éclaeur, oue la ension U es praiquemen appliquée à e en série. La charge du condensaeur es d auan plus rapide que le produi es pei. alcul de la ension de choc : (EXERIE) Tension ransioire : Figure 3 : Généraeur de choc à un éage 6

7 ours de A. Tilmaine La concepion e la réalisaion des équipemens uilisés dans les réseaux haue ension iennen compe surou à se prémunir conre les surensions ransioires de manœuvre qui son les plus fréquenes. Le réglage des résisances e de chaque éage perme de conrôler les emps de fron e de queue de l onde, e offre la possibilié de disposer à la sorie soi d une ension de choc (pour simuler la foudre par exemple) soi d une surension ransioire. III.) Généraeur de choc à plusieurs éages (Généraeur de Marx) Des ensions coninues plus élevées son obenues avec le généraeur de Marx, c es un ensemble de généraeurs de choc à un éage, monés en cascade. Les ensions obenues son de l ordre du MV (maximum réalisé env. 6 MV). Dans une première phase, le secionneur I fermé perme la charge en parallèle des n condensaeurs à ravers de grandes résisances de charge R ch ; l alimenaion éan assurée par une source coninue de ension U 0 (généralemen comprise enre 50 e 00 kv). Ensuie, dans une deuxième phase, le secionneur es ouver e l amorçage de ous les éclaeurs E i es commandé presque simulanémen (la ension de claquage des éclaeurs à sphères éan ajusée légèremen au-dessus de U 0 ); à ce momen précis les condensaeurs se rouven en série e consiuen une source de ension égale à nu 0. F Tension de sorie E 5 E E R ch E 4 D D R ch E 3 =nu 0 R ch E R ch B E B Un éage U 0 I A Figure 6 : Généraeur de Marx à 5 éages 7

8 ours de A. Tilmaine III.3) Généraeur de Ruhmkorff La haue ension es produie par l inerrupion du couran dans un circui inducif. Les vibraions du rupeur fermen e ouvren brusquemen le circui. L équaion du circui es : d i p d is u = R i + L M p p p p + d d où R p e L p son la résisance e l inducance de l enroulemen primaire ; i p e i s courans primaire e secondaire ; M l inducance muuelle enre les circuis primaire e secondaire. d i p d i omme l inerrupion du courran es rès brève (d 0), les ermes e s son d d ellemen élevés qu ils produisen, pendan un bref momen, de la haue ension. es généraeurs son uilisés, lorsqu on a besoin d une haue ension pendan une durée rès brève, comme l allumage par exemple. On les rouve pour l allumage des lampes à décharge e l allumage des moeurs à explosion (bobine HT des voiures). III.4. Généraeur de Tesla Il fourni une haue ension oscillane. lame à ressor rupeur élecro-aiman i p u p Figure 8 u s Le condensaeur se charge par l inermédiaire du ransformaeur HT associé à la diode D. i E M i Le ransformaeur charge le condensaeur à une ension U. Quand la ension es suffisammen grande, le claquage de l éclaeur E provoque la décharge de l énergie emmagasinée dans dans un sysème de deux circuis RL couplés, généran une ension de sorie U qui croî de façon oscillane. u Figure 9 L L u Les résisances e serven à amorir l oscillaion. L arrê de la ension oscillane s effecue par l exincion de l arc aux bornes de l éclaeur par soufflage d air. Des ensions à HF fréquence 0 4 à 0 5 Hz son obenues e qui peuven aeindre des valeurs de MV. 8

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