La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

CHAPITRE 5 Les générateurs de haute tension 1 A.Générateurs électrostatiquesGénérateurs électrostatiques B.Générateurs de hautes tensions AC et DCGénérateurs.

Présentations similaires


Présentation au sujet: "CHAPITRE 5 Les générateurs de haute tension 1 A.Générateurs électrostatiquesGénérateurs électrostatiques B.Générateurs de hautes tensions AC et DCGénérateurs."— Transcription de la présentation:

1 CHAPITRE 5 Les générateurs de haute tension 1 A.Générateurs électrostatiquesGénérateurs électrostatiques B.Générateurs de hautes tensions AC et DCGénérateurs de hautes tensions AC et DC a.Transformateurs de puissance.Transformateurs de puissance b.Transformateurs dessais.Transformateurs dessais c.Générateurs à circuit résonant série.Générateurs à circuit résonant série d.Redresseurs.Redresseurs e.Doubleurs de tension, cascade de Greinacher.Doubleurs de tensioncascade de Greinacher. C.Générateurs de tensions transitoires a.Bobine de Ruhmkorff, transformateur de Tesla.Bobine de Ruhmkorfftransformateur de Tesla b.Générateurs de chocs.Générateurs de chocs D.Qualité de la tensionQualité de la tension EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

2 A. Générateurs électrostatiques 2 5. Les générateurs de hautes tensions > A. Générateurs électrostatiques EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

3 Générateurs électrostatiques 3 Définition :Le générateur électrostatique est un dispositif qui convertit lénergie mécanique en énergie électrostatique emmagasinée dans un milieu diélectrique. Le générateur électrostatique comporte : -une source dexcitation, fournissant des charges électriques ; -un élément transporteur (convoyeur de charges) mû par un moteur et qui apporte les charges sur une électrode haute tension, entourée dun matériau diélectrique ; -un milieu diélectrique dans lequel est stockée lénergie électrostatique. 5. Les générateurs de hautes tensions > A. Générateurs électrostatiques Le générateur électrostatique se distingue de la machine communément appelée génératrice électrique, qui convertit de lénergie mécanique en énergie magnétique (stockée dans un circuit magnétique). EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

4 Une sphère ou un cylindre de matériau isolant est mis en rotation et frotté à laide dun coussinet également isolant, mais formé dun matériau différent. Ces machines ont permis dobtenir des tensions de plusieurs centaines de kV, si lon en croit la longueur des étincelles annoncées par leurs utilisateurs du 18 e siècle. Machines à triboélectricité 4 5. Les générateurs de hautes tensions > A. Générateurs électrostatiques Source : Kenyon College Kenyon College EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

5 Cet instrument, inventé en 1775, combine le principe du frottement à celui de la charge par influence. Électrophore de Volta 5 Lélectrophore de Volta ouvre la porte aux générateurs électrostatiques modernes, combinant le phénomène de la triboélectricité à celui de la charge par influence, avec la possibilité dopérer en continu. 5. Les générateurs de hautes tensions > A. Générateurs électrostatiques EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

6 Générateur à capacité variable 6 Principe Dans un premier temps, la capacité variable augmente jusquà C max et se charge à travers une diode D1. Dans un second temps, la valeur de la capacité décroît, ce qui provoque laugmentation de sa tension U c à charge constante ( D1 étant alors bloquée). Dans un troisième temps, lorsque U c +U e > U s, la diode D2 commence à conduire de sorte que le système délivre du courant à lutilisateur. 5. Les générateurs de hautes tensions > A. Générateurs électrostatiques EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

7 Générateur à capacité variable 7 Diagramme Le fonctionnement du générateur à capacité variable peut être représenté dans un diagramme tension – charge. 5. Les générateurs de hautes tensions > A. Générateurs électrostatiques Source : Michel Aguet, Mircea Ianovici, Traité délectricité vol. XXII, Éd Georgi (1982) p.49 EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

8 Réalisation 8 5. Les générateurs de hautes tensions > A. Générateurs électrostatiques © EPFL - LRE 2008 En pratique le condensateur à capacité variable est constitué de deux pièces circulaires, un stator et un rotor, comportant des secteurs. On montre que dans un tel système la puissance maximale transmise à lutilisateur est donnée par la relation approchée : N : nombre de secteur f : fréquence de rotation. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

9 Machine de Wimshurst 9 Complément facultatif Machine de Wimshurst Schéma animé La machine de Wimshurst permet datteindre 100 kV, avec un courant de lordre du microampère. James Wimshurst ( ) 5. Les générateurs de hautes tensions > A. Générateurs électrostatiques EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

10 Générateur de Van de Graaf 10 Le générateur de Van de Graaff est le plus utilisé des générateurs électrostatiques. Complément facultatif Générateur Van de Graaff Modèle original Robert Van de Graaff ( ) 5. Les générateurs de hautes tensions > A. Générateurs électrostatiques Différentes astuces de construction sont possibles : poulie inférieur en matériau isolant : charge de la courroie par séparation ; recharge de la courroie descendante par un ioniseur au potentiel de lélectrode HT. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

11 Puissance 11 Augmentation de la tension : -champ disruptif E d (mise sous pression et/ou immersion dans un gaz) ; -rayon R de la sphère. La tension maximale est alors égale à U max = E d · R Augmentation du courant : -largeur de la courroie ; -nombre de courroies ; -vitesse de la courroie. 5. Les générateurs de hautes tensions > A. Générateurs électrostatiques EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

12 Générateur de Felici 12 Le générateur de Felici est une variante de celui de Van de Graaff, dans laquelle la convoyeur de charges est un rotor isolant. Noël Joseph Felici ( ) 5. Les générateurs de hautes tensions > A. Générateurs électrostatiques EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

13 Générateur SAMES (France) Type : Felici Utilisation : physique des particules, vaporisation et précipitation Tension maximale : 600 kV Courant : 4 mA Caractéristiques 13 Générateur électrostatique de lOak Ridge National Laboratory (Tennessee) Type : Van de Graaff Utilisation : physique des particules Tension maximale : 31 MV Instabilité : < Générateur électrostatique du Centre de recherches nucléaires de Strasbourg Type : Van de Graaff Utilisation : physique des particules Tension maximale : 13 MV Courroie : néoprène, largeur 52 cm, longueur 101 m, vitesse 10 m/s 5. Les générateurs de hautes tensions > A. Générateurs électrostatiques [27] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

14 B. Générateurs de hautes tensions AC et DC Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

15 Transformateurs 15 Dans la plupart des systèmes actuels à haute tension, lélément central reste le transformateur. Définition :Le transformateur est un convertisseur d'énergie électrique sans pièces mobiles qui modifie les tensions et courants associés à une énergie électrique sans changement de fréquence. Lucien Gaulard ( ) 5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance Premier transformateur à circuit magnétique fermé (1886) Source : Raconte-moi la radioRaconte-moi la radio Certains accessoires comportent des pièces mobiles : les ventilateurs, les changeurs de prise, commutateurs de protection. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

16 Transformateurs haute tension 16 Dans le domaine de la haute tension, on utilise différents type de transformateurs : Pour lalimentation des réseaux électriques : les transformateurs de puissance monophasés ou triphasés, élévateur de tension (transport) ou abaisseur (distribution). Isolation : papier – huile, papier – résine époxy, SF 6 … Pour la mesure des hautes tensions (surveillance de la tension dans les réseaux) : transformateur de potentiel (abaisseur de tension). Isolation : résine époxy. Pour les essais en laboratoire : les transformateurs dessai monophasés. Haute tension mais faible puissance. Isolation : papier – huile. Pour les essais à lextérieur : le transformateur à résonance série. Isolation : résine époxy. 5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

17 Transformateurs de puissance (1) 17 Transformateurs immergés à 3 colonnes Isolation papier – huile. Tension pouvant dépasser le MV. Puissance jusquà plus du GVA. Poids jusquà 600 tonnes, y compris une centaine de tonnes dhuile. 5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance Source : ABB transformersABB transformers EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

18 Source : Transformateurs cuirassés ABBTransformateurs cuirassés ABB Transformateurs de puissance (2) 18 Transformateurs immergés à 5 colonnes ou cuirassés Les transformateurs cuirassés sont plus compacts, résistent mieux aux contraintes mécaniques (en particulier durant le transport) et supportent mieux les courts-circuits que les transformateurs à 3 colonnes. Mais ils coûtent plus chers. 5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

19 Transformateurs de puissance (3) 19 Transformateur «secs » Isolation résine époxy. Tension jusquà env. 50 kV. Puissance jusquà env. 20 MVA. Avantages de labsence dhuile : plus léger ; pas de risque de pollution ; pas de risque dincendie. Inconvénient : isolation non autorégénératrice ; 5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance Exemple de transformateur sec. Les enroulements sont imprégnés de résine, à chaud et sous vide. Source : Transformateurs secs ABBTransformateurs secs ABB EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

20 Transformateurs de puissance (4) 20 Transformateur isolé au SF 6 Entièrement enfermé dans un réservoir de gaz sous pression. Avantages Très compact (pas de vase dexpansion) ; Très peu dentretien ; Surveillance limitée à la pression du gaz ; Pas de risque dincendie. Exemple de transformateur au SF 6 (Toshiba) 275 kV ; 300 MVA ; 0,5 MPa 5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance Transformateurs SF 6 Toshiba Transformateurs SF 6 Toshiba EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

21 Composants particuliers Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance Autres composants Huile + papier Colonnes Radiateurs / ventilateurs / pompes de circulation dhuile Changeur de prise en charge Capteurs (tension, courant, vibrations, température, composition de lhuile) Compensation active du bruit En outre, de nombreux capteurs peuvent surveiller les paramètres caractéristiques de létat du transformateur : température de lhuile, gaz dissous, vibrations, etc. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

22 Circuit magnétique Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance Les colonnes et la culasse sont formées de feuilles dalliages ferromagnétiques (fer, cobalt, nickel…), à grains orientés par laminage et isolées les unes des autres, de manière à éviter les courants de Foucault. Par des logiciels appropriés, on peut simuler : -la distribution des flux magnétiques ; -la circulation des courants de Foucault ; -les points déchauffement ; -les contraintes mécaniques. Valeurs typiques :épaisseur : 0,35 mm pertes : 0,55 W/kg. T rendement : > 99 % Beaucoup de manipulations seffectuent encore à la main. [46] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

23 Circuit magnétique amorphe Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance Noyau métallique amorphe : alliages de matériaux magnétiques combinés avec du silicium, du bore ou du phosphore préparés par hypertrempe. Dans les noyaux amorphes, les pertes par hystérèse sont réduites. Bien quétant dun prix plus élevé que les transformateurs classiques, les noyaux amorphes se répandent déjà à grande échelle dans les réseaux électriques indiens, chinois et japonais. Clark W. Gellings, « Energy efficiency », dans : Electra n°240 (oct. 2008) p.10 EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

24 Enroulements 24 Enroulements concentriques (tradition européenne) Enroulements à galettes (tradition américaine) La construction en galettes est un peu plus compliquée du point de vue des connexions. Mais elle assure un meilleure distribution du potentiel en cas de surtensions transitoires, du fait de la capacité élevée entre les galettes. 5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

25 Relais Buchholz 25 Le « relais Buchholz » (daprès Max Buchholz, ) est un système de relais commandé par deux flotteurs : -Flotteur A de surveillance du niveau, à fonctionnement lent : provoque une alarme lorsquil manque de lhuile. -Flotteur B de surveillance des mouvements de lhuile, à fonctionnement rapide : provoque une alarme en cas dévénement transitoire. 5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance Site web : Prof Comme pour tous les systèmes dalarme, se pose la question de la sélectivité EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

26 Changeur de prise en charge 26 Ce dispositif permet dajuster le rapport de transformation sans interruption de service. Les deux commutateurs denroulement doivent être fermés avant la manipulation du changeur de prise. 5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1 Complément facultatif Changeur de prise en charge Modèle ABB

27 Bornes de traversées 27 Le principal problème des bornes de traversée est celui de la distribution du champ électrique. 5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance Modélisation : géométrie et équipotentielles Site web : CST Exemple de bornes de traversée de 15 à 38 kV (jusquà 3000 A) Piedmont Bushings & Insulators EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

28 Bornes de traversées : modélisation 28 La borne de traversée « idéale » de P. Moon et D. E. Spencer Source : E. Kuffel, W. S. Zaengl, J. Kuffel, High Voltage Engineering (2000) p.236 Le problème comporte 5 domaines : la paroi à traverser : plan conducteur percé dun trou circulaire ; le passage du courant : conducteur cylindrique (en pratique), perpendiculaire à la paroi ; lisolant solide qui sert de support mécanique au conducteur ; lisolant (huile) à lintérieur du transformateur ; lair extérieur (isolant) 5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance Le modèle « idéal » ci-contre considère le même isolant à lintérieur et à lextérieur. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

29 Écrans flottants 29 Le système des écrans flottants permet de contrôler le champ électrique maximal. Lisolant solide assurant la fixation de la traversée est constitué de feuilles dépaisseur constante, séparées par des écrans métalliques électriquement flottants. 5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance On trouve sur Internet des centaines de brevets pour des bornes de traversées. [28] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

30 Couplages triangle 30 Les trois enroulements de phase correspondant à un niveau de tension peuvent être couplés de 5 manières différentes. 1. Couplage en triangle : 5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance Dans le diagramme central, chaque impédance représentée verticalement correspond à une colonne du transformateur. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

31 Couplages étoile Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance 2. & 3. Couplage en étoile, avec point médian non relié ou relié (à la terre ou au point neutre dune charge) : Le neutre peut être relié soit à la terre soit au point neutre dune charge. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

32 Couplage zig-zag Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance 4. & 5. Couplage en zig-zag, avec ou sans point médian relié : Le couplage en zig-zag nest utilisé que dans les enroulements secondaires de certains transformateurs de distribution qui alimentent des charges très déséquilibrées. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

33 Groupes de couplage 33 La manière de coupler les enroulements primaires et secondaires dun transformateur triphasé est représentée par un code. Codes de couplage dun enroulement. Code de liaison du point médian PrimaireSecondairePour indiquer que le point médian Yétoileyest relié, on ajoute un « n ». DtriangledPar exemple : Yn ; zn zig-zagz Code de couplage du secondaire par rapport au primaire. Représentation par groupe horaire : le groupe horaire est un nombre compris entre 0 et 11, et qui indique, par tranche de 30° le déphasage entre la tension sur v et la tension sur V. Cette dernière est toujours placée sur Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

34 Groupes de couplage habituels 34 Couplage Dy5. 5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance Ce type de couplage est couramment utilisé pour lalimentation basse tension résidentielle : le couplage en triangle au primaire permet de réduire lharmonique 3 renvoyée au réseau ; le couplage en étoile au secondaire permet détablir un point neutre. On ne sintéresse ici quà langle des vecteurs et non à leur longueur qui est simplement ramenée au rayon du cercle. Complément facultatif Cahier technique n°202 de Schneider Electric EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

35 Groupes de couplage habituels 35 Couplage Yy0. Couplage Yz Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance Utilisé pour : lalimentation de charges équilibrées ; avoir des tensions secondaires en phase avec les tensions primaires. Avec une charge fortement déséquilibrée, permet déliminer (charge équilibrée) ou datténuer (charge déséquilibrée) lharmonique 3 dans le circuit primaire. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

36 Choix dun groupe de couplage 36 Plusieurs paramètres déterminent le choix des couplages dans le réseau électrique. Paramètre économique : Dans les réseaux de transport, il ny a pas de neutre pour des raison déconomie (3 fils au lieu de 4) Paramètres électriques : Les puissances à transporter ; La limitation des surtensions transitoires ; La maîtrise de courants de court-circuit ; La sélectivité des protections ; La maîtrise des harmoniques ; Le contrôle des déséquilibres de charge. 5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance Certains transformateurs comportent plusieurs enroulements secondaires, avec différents couplages selon le type de charge quils alimentent. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

37 Capacités parasites 37 Les capacités existantes dans un transformateur jouent un rôle essentiel dans la maîtrise des surtensions. Dans le schéma, chaque tranche représente une portion de spire de longueur dx dun enroulement, à partir de la borne de traversée. Linductance linéique de la spire. Minductance mutuelle entre les portions de spire. C b capacité de la borne de traversée. dC l capacité longitudinale entre portions de spires voisines. dC t capacité transversale entre la portion de spire et la cuve. 5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > a. Transformateurs de puissance EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

38 Transformateurs dessai 38 Les transformateurs dessai sont généralement monophasés et de faible puissance. Principalement utilisé pour réaliser des tests sur des systèmes disolation. Définition :Une isolation est un ensemble déléments constitués de matériaux isolants et servant à isoler les unes des autres les parties conductrices dun dispositif. 5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > b. Transformateurs dessai En général, les transformateurs dessai comportent plusieurs enroulements primaires ou/et secondaires. Ceci offre une certaine souplesse pour sadapter à différentes spécificités des essais à réaliser. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

39 Transformateurs dessai de lEPFL 39 Caractéristiques techniques Transfo 5 kVA à isolation papier – huile Primaire : 2 x 220 V / 22,7 A Secondaire : 100 kV / 50 mA Poids : 200 kg Dimensions : H = 735 mm = 545 mm 5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > b. Transformateurs dessai EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

40 Schéma équivalent 40 Schéma équivalent rapporté au secondaire 5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > b. Transformateurs dessai En général, il est plus intéressant de rapporter les grandeurs au secondaire, car ce qui importe est dévaluer le comportement pour une charge particulière. Linductance principale contribue bien moins à la réactance que la capacité entre enroulements. [29] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

41 Générateur à circuit résonant série Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > b. Transformateurs dessai Les générateurs à circuit résonant série sont principalement utilisés pour les tests de câbles sur site. En ajoutant une inductance en série sur le secondaire du transformateur, accordée à la charge, on multiplie la tension par un facteur à peu près égal à son facteur de qualité. [30] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

42 Les redresseurs 42 Les essais de haute tension en DC sont effectués au moyen dun transformateur HT et dun redresseur. u e Haute tension dentrée alternative u s Haute tension de sortie continue R L Résistance de limitation R D Résistance de la diode C L Capacité de lissage G Conductance de fuite Redresseur à une alternance 5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > c. Redresseurs Le redresseur peut comporter plusieurs diodes en série, de manière à limiter, à une valeur acceptable sur chaque diode, la tension inverse qui peut atteindre au total le double de la valeur de crête de u e. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

43 Tension de sortie du redresseur 43 Le redresseur fournit une tension lissée, présentant une ondulation 5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > c. Redresseurs Profondeur dondulation : U s Amplitude dondulation : U s /2 Facteur dondulation : Angle de passage : 2 Tension moyenne : Létude des redresseurs conduit aux relations suivantes pour N diodes en série : EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

44 Redresseur LRE Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > c. Redresseurs © EPFL - LRE 2008 EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

45 Les multiplicateurs 45 Divers circuits ont été imaginés pour multiplier une haute tension redressée. Doubleur de Latour Présente linconvénient de nécessiter un transformateur haute tension dont le secondaire na pas de point à la terre. Doubleur de Schenkel Présente linconvénient de donner la pleine tension sur un seul condensateur. 5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > c. Multiplicateurs de tension EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

46 46 5. Les générateurs de hautes tensions > B. Générateurs de hautes tensions AC et DC > c. Multiplicateurs de tension Cascade de GreinacherGreinacher Heinrich Greinacher ( ) Ou cascade de Cockcroft-Walton, ce circuit a été réalisé en 1932 dans un accélérateur de particules.CockcroftWalton La cascade de Greinacher consiste en un empilement de N doubleurs de Schenkel, permettant dobtenir une tension de sortie à vide : En débitant un courant I R sur une résistance R, la cascade donne une tension maximale : avec : Londulation vaut : EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

47 C. Générateurs de hautes tensions transitoires Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

48 Bobine de Ruhmkorff 48 Henri Ruhmkorff ( ) Bobine de Ruhmkorff Cet appareil donne une haute tension au secondaire dun transformateur possédant un rapport de transformation ü très élevé, avec un primaire alimenté par un courant présentant une dérivée temporelle très grande. En pratique, le primaire du transformateur est alimenté par une tension continue hachée. 5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > a. Bobine de Ruhmkorff Source : ACMIACMI EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

49 Bobine de Ruhmkorff Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > a. Bobine de Ruhmkorff La bobine de Ruhmkorff donne des pics de tension de quelques dizaines de kilovolts, à une cadence de lordre du kilohertz. En première approximation, la crête de la tension de sortie vaut : L p : inductance du circuit primaire i p : courant au primaire Applications de la bobine de Ruhmkorff : bougies de voiture trigger de circuit de choc allumage de lampe à décharges EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

50 Transformateur de Tesla 50 Nikola Tesla ( ) 5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > a. Transformateur de Tesla Le transformateur de Tesla est un transformateur à couplage par lair dans lequel le primaire et le secondaire sont en résonance. La tension de sortie est maximale lorsque : L 1 C 1 = L 2 C 2 Dans ce cas, la crête de la tension de sortie vaut approximativement : U o :tension de charge condensateur C 1. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

51 Transformateur de Tesla 51 Dans la phase I, le condensateur C 1 se charge à la tension U o. Dans la phase II, le condensateur C 1 se décharge dans le circuit primaire et lénergie est transférée au secon- daire, accordé en fréquence avec le primaire. La fréquence de résonance est typiquement de lordre de quelques dizaines de kilohertz et la crête de la tension de sortie peut atteindre des centaines de kilovolts. 5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > a. Transformateur de Tesla EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

52 Exemple de valeurs possibles pour les composants du circuit : C 1 = 0,6 F C 2 = 135 pF L 1 = 103 H L 2 = 450 mH Fréquence de résonance : f rés = 20,3 kHz R 1 = 23 m R 2 = 18,5 M. Aguet, M. Ianovici, Traité délectricité vol. XXII (1982) pp Applications du transformateur de Tesla The T-30 Tesla coil is ideally suited to stage shows, concerts, presentations, live attractions and studio work.T-30 Transformateur de Tesla Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > a. Transformateur de Tesla À des fréquences élevées, le courant ne pénètre plus à lintérieur du corps mais circule à la surface de la peau. Ainsi, les arcs obtenus à laide du transformateur de Tesla sont inoffensifs. Démonstration : [Clip-2] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

53 Générateurs de chocs 53 Définitions :Une tension de choc est une (onde de) tension transitoire, caractérisée par une montée rapide de la tension suivie généralement dune décroissance plus lente. Le front donde est la partie de la tension de choc qui précède le passage par la crête. La durée conventionnelle du front est la durée définie en remplaçant le front réel par un segment de droite passant par deux points spécifiés du front. La queue donde est la partie de la tension de choc qui suit le passage par la crête. La durée jusquà mi-valeur est lintervalle de temps compris entre lorigine de la tension de choc et linstant de la queue où la tension a décru à la moitié de sa valeur de crête. 5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > b. Chocs de tension EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

54 Choc de foudre 1,2/ Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > b. Chocs de tension Le choc de foudre normalisé est largement utilisé pour les essais de matériel. Norme CEI : T 1 = 1,2 s 0,36 s (30%) T 2 = 50 s 10 s (20%) O 1 : origine conventionnelle T 1 : durée conventionnelle du front T 2 : durée jusquà mi-valeur Les essais de chocs servent à sassurer de limmunité du matériel, vis-à-vis de surtensions induites avec des niveaux inférieurs au niveau de protection. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

55 Générateur de chocs de foudre 55 Le générateur comporte un redresseur dont la capacité de lissage se décharge dans un circuit résistif, à travers un éclateur. R L : résistance de limitation C L : capacité de choc R s1, R s2 : résistances série R p : résistance parallèle C c : capacité de charge 5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > b. Chocs de tension Le problème du dimensionnement dun générateur de choc, permettant dobtenir une tension conforme à la norme, na pas de solution analytique. [31] La tension de sortie de ce type de générateur a la forme dune double exponentielle (biexponentielle) : EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

56 Tensions de crête recommandées par la CEI, pour la tenue au choc de foudre des équipements du réseau électrique Tensions dessais au choc de foudre Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > b. Chocs de tension Tension de service à 50 Hz [kV] Tension dessai au choc 1,2/50 [kV] , EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

57 Générateur inventé en 1924, par lingénieur allemand Erwin Otto Marx; largement utilisé de nos jours. Ce schéma correspond à un géné- rateur simplifié, avec les éléments équivalents suivants : R s1,éq = 0 R s2,éq = N R si + R se R p,éq = N R p C L,éq = C L / N où N est le nombre détages. Générateurs multiétage (type Marx) Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > b. Chocs de tension © EPFL - LRE 2008 Erwin Otto Marx ( ) EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

58 Tensions de choc de manœuvre 58 Les chocs de manœuvre sont des surtensions du genre de celles que produisent des ouvertures ou des fermetures de disjoncteurs, de sectionneurs, etc. Le choc de manœuvre normalisé (CEI ) est caractérisé par : T 1 : durée jusquà la crête : intervalle de temps compris entre lorigine réelle du choc et linstant de la crête. T 1 = 250 s 50 s (20%). T 2 : durée jusquà mi-valeur : intervalle de temps compris entre lorigine réelle du choc et linstant où la tension a décru jusquà la moitié de sa valeur de crête. T 2 = 2500 s 1500 s (60%). 5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > b. Chocs de tension Cette forme dimpulsion correspond à la plus faible valeur de rigidité diélectrique, pour un intervalle dair. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

59 NEMP (NUCLEAR ELECTROMAGNETIC PULSE) 59 Limpulsion de type NEMP serait provoquée par lexplosion dune bombe atomique à une altitude denviron 20 km. Leffet Compton transforme les rayons émis par lexplosion en rayonnements électro- magnétiques de plus basses fréquences qui peuvent alors se propager jusquà la surface de la Terre, en induisant des courants dévastateurs dans les installations électriques et électroniques. R. N. Ghose, EMP environment ans system hardness design (1984) p Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > b. Chocs de tension EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

60 Le choc NEMP 60 Les générateurs simulant ce type dimpulsions fonctionnent selon le principe habituel des générateurs de chocs, (condensateurs qui se déchargent dans un éclateur). Une géométrie coaxiale et des composants très faiblement inductifs permettent dobtenir des temps de montée très courts, de lordre de la nanoseconde. 5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > b. Chocs de tension HVT EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

61 Perturbations NEMP 61 Une onde NEMP induit des courants intenses dans les câbles dénergie, de commande, de mesure et de communication. 5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > b. Chocs de tension Courant induit dans le blindage dun câble coaxial Michel AGUET et al., Bulletin ASE n°71 (sept. 1980) p. 916 Impédance de transfert: EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

62 62 Tous les équipements électriques mis sur le marché doivent subir des essais dimmunité aux DES, selon la norme CEI Les DES comportent typiquement deux décharges : la plus rapide, qui est la décharge de la capacité formée par lintervalle entre le doigt et lappareil; la plus lente, qui est la décharge de la capacité de la personne contre terre. 5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > b. Chocs de tension Les DES (DÉCHARGES ÉLECTROSTATIQUES) [32] Durée du front 16 A ; I 60 > 8 A. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

63 Les transitoires en salves (BURST) 63 Les salves (ou rafales) sont des séries impulsions répétitives, dont les paramètres sont fixés par la norme CEI T 1 = 5 ns 1,5 ns : points de référence à 10% et 90% de la valeur de crête T 2 = 50 ns 15 ns : largeur de limpulsion mesurée à 50% de la valeur de crête. Répétition 5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > b. Chocs de tension Les salves sont injectées sur les lignes dalimentation de lobjet en essai, à travers un système de couplage capacitif, permettant de simuler des perturbations conduites dues aux rebonds des interrupteurs. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

64 Générateur corona 64 Dans les générateurs corona, une électrode flottante est chargée par à effet de couronne. Ces générateurs permettent dobtenir des impulsions : de grande puissance de temps de montée très court avec une fréquence de répétition élevée 5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > b. Chocs de tension EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

65 Générateur corona EPFL 65 Forme des impulsions 5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > b. Chocs de tension EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

66 Générateur corona EPFL Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > b. Chocs de tension Fréquence de répétition : F. Vega et al., Design and Construction of a Corona Charged High Power Impulse Generator, 17 th IEEE International Pulsed Power Conference, mobilité des ions de lair permittivité du vide V tension appliquée V o tension dapparition de leffet de couronne V b tension de claquage de léclateur d écartement de léclateur C capacité entre lélectrode flottante et la terre EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

67 Les générateurs à inductances 67 Des enclenchements de charges inductives dans le réseau peuvent induire des ondes oscillantes, potentiellement dommageables. Des essais dimmunité conduite aux ondes sinusoïdales amorties sont spécifiés par la norme CEI Générateur dondes sinusoïdales amorties. Durée du front : 500 ns. Fréquence doscillation : 100 kHz. Amortissement : 40% par période. 5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > c. Chocs de courant EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

68 Les générateurs à inductances 68 Autre essai spécifié par la norme CEI : immunité conduite aux ondes oscillatoires amorties Générateur dondes oscillatoires amorties. Durée du front : 75 ns. Fréquence doscillation : 100 kHz. Amortissement : 15% par période. 5. Les générateurs de hautes tensions > C. Générateurs de hautes tensions transitoires > c. Chocs de courant EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

69 D. Qualité de la tension Les générateurs de hautes tensions > D. Qualité de la tension EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

70 70 Idéalement, la tension fournie par le réseau électrique devrait avoir les qualités suivantes : En monophasé Une forme parfaitement sinusoïdale ; Une fréquence parfaitement constante, égale à sa valeur nominale ; Une valeur efficace parfaitement constante, égale à sa valeur nominale. En triphasé, on peut ajouter : Un équilibre parfait entre les phases. 5. Les générateurs de hautes tensions > D. Qualité de la tension La tension idéale EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

71 71 EN = European normalisation. La norme est reconnue en Suisse. Principes généraux La qualité de la tension sapplique aux réseaux de moyenne et basse tension. La qualité dun système triphasé de tensions doit être évaluée au point de jonction entre le réseau fournisseur et lutilisateur, jusquà 35 kV. La qualité de la tension triphasée est évaluée par des mesures et par des indicateurs statistiques sur une période dune semaine, pour chaque phase. La qualité de la tension doit être assurée quels que soient les équipements utilisés par le client, pour autant que ceux-ci soient conformes aux prescriptions en vigueur. Le client et le fournisseur délectricité peuvent sentendre contractuellement sur une qualité de tension différente (plus élevée ou moins élevée) que celle prescrite par la norme. 5. Les générateurs de hautes tensions > D. Qualité de la tension La norme EN EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

72 72 Lorsque la qualité de la tension fournie nest pas conforme à la norme, le fournisseur peut : Sentendre avec le client sur une baisse de prix. Cette solution nest possible que si la non-conformité ne pose pas de problèmes techniques. Augmenter la puissance du réseau au point de jonction avec le client. Proposer, à ses frais, des dispositifs correctifs au niveau de linstallation du client : changer certains équipements, ajouter des filtres, etc. 5. Les générateurs de hautes tensions > D. Qualité de la tension Les cas de non-conformité Le fournisseur doit résoudre le problème à ses frais, même si les perturbations que subit le client sont dues à ses propres équipements. Le client ne peut pas exiger le respect de la norme en cas de phénomènes extraordinaires ou imprévisibles (catastrophe naturelle), ni lors de travaux sur le réseaux saccompagnant de la mise en place dun réseau provisoire. EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

73 73 Les grandeurs suivantes font lobjet dun traitement statistique, assorti de limites admissibles La fréquence Lamplitude Le papillotement Le déséquilibre des phases Les harmoniques Les signaux de télécommande Les grandeurs suivantes sont définies sans limitations strictes Les creux de tension Les coupures de tension Les surtensions Les tensions interharmoniques 5. Les générateurs de hautes tensions > D. Qualité de la tension Paramètres mesurés EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

74 74 La fréquence nominale est de 50 Hz. Chaque échantillon de fréquence est obtenu par une moyenne sur 10 secondes. Lensemble des valeurs moyennes, obtenues toutes les 10 secondes durant une semaine, doit remplir les conditions suivantes : aucune valeur en dehors de lintervalle [ 47 Hz ; 52 Hz ]. pas plus de 5% des valeurs en dehors de lintervalle [ 49½ Hz ; 50½ Hz ]. 5. Les générateurs de hautes tensions > D. Qualité de la tension La fréquence La fréquence est la même en tout point dun réseau interconnecté. Lexpérience montre quen Europe, la fréquence ne sort pratiquement jamais de lintervalle [ 49,8 Hz ; 50,2 Hz ] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

75 75 5. Les générateurs de hautes tensions > D. Qualité de la tension Fluctuations de la fréquence Electra, n°242, fév. 2009, p. 8 EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

76 76 Variations lentes de la tension Définition :une variation lente de tension est une augmentation ou une diminution de tension provoquée par la variation de la charge totale du réseau. La tension nominale simple est 1 kV < U c < 35 kV (en basse tension : 230 V). Sur chaque phase, chaque échantillon de tension efficace est obtenu par une moyenne sur 10 minutes. Lensemble des 1008 valeurs moyennes, obtenues toutes les 10 minutes durant une semaine, doit remplir la condition suivante : Pas plus de 5% des valeurs en dehors de lintervalle [ 0,9 x U c ; 1,1 x U c ] 5. Les générateurs de hautes tensions > D. Qualité de la tension Lamplitude de la tension EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

77 77 Définition :le papillotement est une fluctuation rapide de la tension, due à certaines charges non linéaires présentes sur le réseau, et dont le principal effet négatif est de provoquer une fluctuation de léclairage, conduisant à une gêne visuelle. Le papillotement de longue durée, P lt, est évalué par tranche de 2 heures. Lensemble des 84 valeurs de P lt, obtenues toutes les 2 heures durant une semaine, doit remplir la condition suivante : Pas plus de 5% des valeurs supérieures à 1 5. Les générateurs de hautes tensions > D. Qualité de la tension Le papillotement Les variations de tension responsables de cette gêne visuelle : se situent dans la gamme des fréquences comprises entre 0,5 Hz et 25 Hz, avec un maximum de gêne visuelle autour de 9 Hz ; sont perçues différemment selon quelles sont de forme sinusoïdale ou rectangulaire. [33] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1 Complément facultatif Cahier technique n°176

78 78 Dans un système triphasé déséquilibré, on quantifie le déséquilibre à partir des composantes symétriques du système. Soit le système de trois tensions non symétriques : U 1, U 2 et U 3, et ses composantes symétriques U d, U i et U h. Le déséquilibre du système est défini par : Le déséquilibre est évalué à partir des moyennes des valeurs efficaces des tensions, par tranche de 10 minutes. Lensemble des 1008 valeurs de, obtenues toutes les 10 minutes durant une semaine, doit remplir la condition suivante : Pas plus de 5% des valeurs supérieures à 0,02 5. Les générateurs de hautes tensions > D. Qualité de la tension Le déséquilibre des phases [34] EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

79 79 Les tensions harmoniques individuelles Chaque échantillon de chaque tension harmonique est obtenu par une moyenne sur 10 minutes. Lensemble des 1008 valeurs moyennes, obtenues toutes les 10 minutes durant une semaine, pour chaque tension harmonique de rang N doit remplir la condition suivante : Pas plus de 5% des valeurs au-dessus du seuil S donné dans le tableau suivant, en % de la tension nominale. Harmoniques impairsHarmoniques impairsHarmoniques pairs multiples de 3non multiples de 3 N = 3S = 5%N = 5S = 6%N = 17S =2%N = 2S = 2% N = 9S = 1,5%N = 7S = 5%N = 19S = 1,5%N = 4S = 1% N = 15S = 0,5%N = 11S = 3,5%N = 23S = 1,5%N = 6…24S =0,5% N = 21S = 0,5%N = 13S = 3%N = 25S = 1,5% 5. Les générateurs de hautes tensions > D. Qualité de la tension Les harmoniques EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

80 80 La distorsion harmonique totale (THD) Cette grandeur est définie à partir des tensions harmoniques moyennes par tranche de 10 minutes, U N, où le rang N va de 2 à 40 : Lensemble des 1008 valeurs de THD, obtenues toutes les 10 minutes durant une semaine, doit remplir la condition suivante : Aucune valeur de THD supérieure à 8% de la tension nominale. 5. Les générateurs de hautes tensions > D. Qualité de la tension Les harmoniques EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

81 81 Les entreprises électriques utilisent leur réseau pour transmettre des signaux de commande, avec des fréquences très variées, de quelques centaines de hertz à plusieurs dizaines de kilohertz. La valeur de tension correspondant à un signal de télécommande est obtenue par une moyenne de sa valeur efficace sur 3 secondes. Lensemble des valeurs obtenues toutes les 3 secondes durant une journée doit remplir la condition suivante : Pas plus de 1% des valeurs supérieures aux limites indiquées dans le graphique ci-dessus, pour la fréquence considérée. 5. Les générateurs de hautes tensions > D. Qualité de la tension Les signaux de télécommande EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

82 82 Dautres perturbations de la tension sont définies par la norme EN 50160, sans faire lobjet de limitations strictes. Creux de tension : diminution de la tension qui tombe entre 1% et 90% de la valeur nominale ; Coupure brève : chute de la tension, qui tombe au-dessous de 1% de la valeur nominale, durant moins de 3 minutes ; Coupure longue : chute de la tension, qui tombe au-dessous de 1% de la valeur nominale, durant plus de 3 minutes ; Surtension temporaire : surtension dune durée relativement longue ; Surtension transitoire : surtension ne durant pas plus de quelques millisecondes ; Tension interharmonique : tension sinusoïdale dont la fréquence nest pas un multiple de 50 Hz. (Ces tensions sont dues à la présence, dans le réseau, de convertisseurs de fréquences) 5. Les générateurs de hautes tensions > D. Qualité de la tension Autres grandeurs EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

83 83 5. Les générateurs de hautes tensions > D. Qualité de la tension Creux de tension Electra, n°242, fév. 2009, p. 66 Creux de tension dû à lenclenchement dune charge de forte puissance EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1

84 84 Certains appareils permettent de mesurer toutes les grandeurs donnant lieu à des limitations par la norme EN Les résultats sont fournis sous forme de tableaux détaillés de toutes les valeurs enregistrées, et aussi sous forme synthétique. 5. Les générateurs de hautes tensions > D. Qualité de la tension Mesure de la qualité de la tension © EPFL - LRE 2008 EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension, Master semestre 1 Compléments facultatifs Qualité de la tension Cahier technique n°199 Cahier technique n°141 de Schneider Electric


Télécharger ppt "CHAPITRE 5 Les générateurs de haute tension 1 A.Générateurs électrostatiquesGénérateurs électrostatiques B.Générateurs de hautes tensions AC et DCGénérateurs."

Présentations similaires


Annonces Google