Quelle alimentation pour quel plasma

Quelle alimentation pour quel plasma ?

Générateurs pour l'étude du foudroiement des aéronefs

C. Zaepffel – ONERA

01/04/2019

Sommaire

1. Ondes foudres

2. Générateurs de tension

3. Générateurs de courant

4. Mesures électriques

5. Protection et sécurité

2 Générateurs foudre - C. Zaepffel

3

I. Foudroiement d’aéronefs

Avion déclenche la foudre

Foudroiement en ciel clair

Phénomène de Balayage

I. Explication d’un foudroiement


- Propagation de décharges atmosphérique (positive et négative)

- Apparition des phases à fort courant au bout de quelques ms

- Balayage de l’arc en peau

- Risque: percement fuselage, feu en zone carburant, feu de métal

- Problématique de maintenance

- Nécessité de protections foudre sur les composites carbones

Time

15 pulses Current

~100kA

850A

330A

1A

250µs

10 pulses

20ms

3ms 200m

s « Amorçage » « Fort courant »

Lalande P, Bondiou-Clergerie A, Laroche P, “Analysis of available in-flight

measurements of lightning incidents”, Int. Conf. on Lightning and Static

Electricity, Toulouse, France, 1999.

I. Phases courant foudre

5

Image Onera

Image Onera

0µs 10µs 20µs 30µs

Courant impulsionel

• Onde A (200kA), onde D (100kA)

• Arc explosif

• Onde de choc

• Forme quasi cylindrique

• Forte émission radiative

Courant continu ou faiblement variable

• Onde B et onde C

• Ecoulement hydrodynamique dépendant de la forme des

électrodes

• Comportement chaotique de la colonne (grandes longueurs)

• Formation de spots, et de jets de plasma

100-200kA

10µs

2-5kA

500ms

200A

5ms

Générateurs foudre - C. Zaepffel

I. Norme


Protection foudre: normes ondes de courant, dépend du zoning

de l’avion

Essais dieclectriques : onde de tension

𝑫𝑽

𝑫𝒕> 𝟏𝟎𝟎𝟎 𝒌𝑽/µ𝒔

Claquage durant la montée de tension

Jet diverter electrode

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

Cu

rren

t (k

A)

Time (µs)

Current component A

Current component Ah

Current component D

Type d'onde A Ah B C C* D

Amplitude (kA) 200 150 100

Rise time (µs)a

< 50 37.5 < 25

Action integral

(A²s)

2x106 0.8x10

6 0.25x10

6

Average current

(A)

2 000 400 400

Charges (C) 10 200 18

Duration (ms) 0.5 max 0.5 max 5 500 5 to 50

(=45)

0.5 max

II. Générateurs de tension

Générateur de Marx

• Chargement des condensateurs en parallèle

• Commutation de chaque étages

• mise en série des condensateurs suite à

commutation

élévation de tension

Possibilité d’augmenter la tension de sortie avec un

circuit de peeking (circuit CLC)


0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5-1x10

5

0

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

8x105

HV

ou

tpu

t (V

)

Time (s)

II. Générateurs de tension


Eclateur

déclenché

Circuit de

déclenche

Diviseur

résistif

Diviseur

capacitif

Transformateur

d'impulsion

Capacité de

stockage

Transformateur impulsionnel

• Décharge du condensateur

dans le primaire

• Flux magnétique important

• Apparition d’une forte haute

tension au secondaire

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0-100

-50

0

50

100

150

200

250

Experiment

Simulation

Volt

age

(kV

)

Time (µs)

Saturation

III. Générateurs fort courant


Discharge Spark gap

Onde C

Moyen d’essai ONERA – GRIFON DBC

III. Moyens d’essais DGA-TA, Super Dicom et EMMA


5 MARX de 5 étages en parallèle

Tension max > 200 kV

Courant max de 250 kA

dI/dt > EMMA

Générateur dans un shelter

Zone de tir et filtre à l’extérieur

Basé sur un crowbar RLC pour l’onde A

Tension max de 80kV

Courant max de 240 kA (possiblement plus)

III. Generateurs forts courants, plusieurs types


RLC (GRIFON)

Crowbardé (EMMA)

MARX (Super Dicom)

Condensateur

Resistance Eclateur

Diode

Electrode Eprouvette

GRIFON D

Pour être en mode générateur de courant

Les résistances de ballast doivent être

bien supérieure à l’impédance de

l’éprouvette

Rappel : Formules décharge RLC


0µs 50µs 100µs 150µs 200µs 250µs 300µs 350µs 400µs 450µs 500µs

-24KA

-18KA

-12KA

-6KA

0KA

6KA

12KA

18KA

24KA

30KA

36KA

42KA-(I(R1)+I(R2))


0KA

5KA

10KA

15KA

20KA

25KA

30KA

35KA

40KA

45KA

50KA

55KAI(Rarc)


0KA

9KA

18KA

27KA

36KA

45KA

54KA

63KA

72KA

81KA

90KA

99KA-(I(R1)+I(R2))

Amorti : C

LR

42 Oscillant : C

LR

42

Courant I teL

Vti L

Rt

sinh)( 20

teL

Vti L

Rt

sin)( 20

Pulsation ω LCL

R 1

2

2

2

2

1

L

R

LC

Durée pour atteindre Imax

R

LAt

2tanh

1max

R

LAt

2tan

1max

Amorti

Cas le plus simple

Oscillant

Peu représentatif de la

foudre

Crowbar

Ajout d’une diode pour redresser

Augmente l’intégrale d’action

dans des circuits inductifs

III. Compromis

Plus l’échantillon est de grande taille, plus son inductance

et/ou sa résistance va augmenter

Cela impose une résistance de ballast plus importante pour compenser

l’inductance et éviter l’oscillation

Le temps de montée est fonction de V/L, plus l’inductance est

importante, plus la tension devra être élevée pour atteindre la norme

Mais augmenter la tension impose de plus grande volume

une plus grande inductance.

En pratique un compromis est donc nécessaire entre tension

du banc et taille de celui-ci et cela définit l’impédance

maximum de l’échantillon


III. Eclateur à gaz

Plusieurs types ont été développé dans la litérature


III. Generateur onde C continue ONERA

Buck converter

Courant continue de 200 à 800A

1300 V max

1 IGBT assure la commutation

1 resistance de shunt et un

µcontroleur assure la contre réaction


5.6ms 5.8ms 6.0ms 6.2ms 6.4ms 6.6ms 6.8ms 7.0ms 7.2ms 7.4ms 7.6ms 7.8ms

0A

20A

40A

60A

80A

100A

120A

140A

160A

180A

200A

220A

240A

-2.0KV

-1.5KV

-1.0KV

-0.5KV

0.0KV

0.5KV

1.0KV

1.5KV

2.0KV

2.5KV

3.0KV

I(Rarc)

V(D,S)

IV. Mesures électriques


Si possible une chaîne par mesure

Système blindée et sur batterie

Type Bandwith Isolation

Tension

Diviseur résistif DC+BF Modèle de

table <100kV

Diviseur capacitif HF Haute

Courant

Transformateur de

courant

Passe bande Sonde blindé

mais pas isolé

Resistance de

shunt coaxiale

DC à HF Suivant

modèle

Rogowsky

(amplifiée)

DC à BF Câble isolé à

10kV, place

pour ajout

d’isolation

Effet de l’inductance sur une

mesure de resistance pure dû à

l’inductance induite dans la boucle

de mesure

Inductance de la sonde et/ou de

l’éprouvette Non négligeable

𝑉 𝑡 = 𝐿𝑑𝑖 𝑡

𝑑𝑡+ 𝑅 𝑡 𝑖 𝑡

Minimiser la boucle de

mesure

Dégrader dI/dt (rarement

possible)

Déterminer Lparasite et le

soustraire par post

traitement

IV. Mesure de tension cas fort courant


IV. Mesure de résistance U/I : Essai fort courant

Voltage probe Current probe

Voltage & current

measurements

Resistance V/I

Sonde maison pour diminuer la boucle de mesure entre

le point de mesure et la référence de la sonde.

La carte d’acquisition est flotante

Toutefois pour les valeurs de I faible (t=0), la mesure

reste difficile et un bruit important persiste Phase 1

Phase 2

Générateurs foudre - C. Zaepffel 18

VI. Sécurité/Protection des systèmes

Pour séparer une partie BT et HT :

Utilisation de filtre RC ou LC

Tenue tension et courant des éléments

Utilisation de diodes mais attention :

Polarisation des diodes

Capacités parasites des diodes


Filtre RC

Diodes

VI. Sécurité/Protection

Sur banc de condensateur forte énergie :

Utilisation des EPIs

Mise à la masse du banc par plusieurs moyens

Relais CC vers résistance liquide (sulfate de cuivre)

Moyen mécanique

Perche (projection de métal si banc chargé

Limitation des accès

Protection mécanique contre les projections

Tir déconnecté de la terre

Pas de communication cuivre

Mettre à distance le poste de

contrôle


Relais et jerrican de sulfate de

cuivre

Quelques ouvrages

J.C. MARTIN on Pulsed Power, by T.H. Martin et al,

SPRINGER Sciences

Transient electronics: Pulsed circuit technology, Paul W.

Smith, Wiley

Pulsed Power, G. A. Mesyats, SPRINGER Sciences


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