« Contrôle du point de fonctionnement des décharges électriques par l'intermédiaire de leur alimentation. »

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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8

  • mémoire


N° d'ordre : 2288 THESE présentée pour obtenir LE TITRE DE DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE École doctorale : GEET Spécialité : Génie électrique Par M. SALANNE Jean-Philippe Titre de la thèse « Contrôle du point de fonctionnement des décharges électriques par l'intermédiaire de leur alimentation. » Soutenue le 18/11/2005 devant le jury composé de : M. ROJAT Gérard Président MM. CORMIER Jean-Marie Rapporteur FOCH Henri Invité FULCHERI Laurent Membre GABLE Gilles Membre PIQUET Hubert Directeur de thèse ZISSIS Georges Membre

  • décharge mono

  • phénomènes électriques de base de la décharge

  • modélisation générale

  • comparaison des modèles en régime statique

  • couplage entre l'alimentation

  • commune aux plasmas et au génie électrique

  • simplification du modèle discrétisé

  • plasma dans la nature


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Publié le 01 novembre 2005
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Langue Français
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N° d’ordre : 2288
THESE
présentée
pour obtenir
LE TITRE DE DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE
TOULOUSE
École doctorale : GEET
Spécialité : Génie électrique
Par M. SALANNE Jean-Philippe
Titre de la thèse « Contrôle du point de fonctionnement des décharges électriques
par l’intermédiaire de leur alimentation. »

18/11/2005 Soutenue le devant le jury composé de :

M. ROJAT Gérard Président

MM. CORMIER Jean-Marie Rapporteur
FOCH Henri Invité FULCHERI Laurent Membre
GABLE Gilles Membre
PIQUET Hubert Directeur de thèse
ZISSIS Georges Membre




Remerciements
Les travaux présentés dans ce mémoire ont été réalisés au sein du groupe "Système" du
Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique Industrielle (LEEI), unité mixte de
recherche CNRS-INPT nº5828.

Je tiens à remercier :
Monsieur G.ROJAT et Monsieur JM.CORMIER pour avoir accepté d’être rapporteurs de
cette thèse.
Monsieur L.FULCHERI pour nous avoir donné l’opportunité de tester nos alimentations
sur un dispositif de décharge réel, et pour avoir accepté de participer à l’évaluation de ces
travaux.
Monsieur G.ZISSIS pour les discussions que nous avons partagées sur une problématique
commune aux plasmas et au génie électrique.
Monsieur G.GABLE pour avoir accepté de faire partie du jury.

Je tiens aussi à exprimer route ma reconnaissance à Monsieur H. PIQUET pour la
confiance qu'il m'a accordée en acceptant de m'encadrer durant ces trois ans. Pour sa présence
et son aide efficace, particulièrement lors de la rédaction du mémoire.
Je remercie également Monsieur H. FOCH pour sa disponibilité, son aide précieuse et ses
remarques toujours judicieuses.
Je remercie aussi Monsieur Y.CHERON, directeur du LEEI, pour avoir accepté de me
recevoir au sein de son laboratoire, ainsi que Monsieur X.ROBOAM, responsable du groupe
"Système", pour son accueil au sein du groupe.




Je voudrais aussi remercier Sophie, ma femme, pour le soutien inconditionnel qu’elle
m’apporte chaque jour.
Je ne voudrais pas oublier mes collègues de bureaux qui m’ont supporté lorsque je coulais
sous mon ordinateur lors de la mise au point des simulations. Ainsi que ceux de salle de
manipulation qui ont réussi à survivre aux nuisances acoustiques sur toute la gamme de
fréquence atteignable par les convertisseurs que j’ai testés.
Par ailleurs, je ne saurais oublier dans mes remerciements les enseignants, les chercheurs et
les personnels techniques et administratifs du LEEI et du groupe "Système".

Sommaire
Table des matières
Introduction générale ...........................................................................................................1
Chapitre I : Présentation des décharges.............................................................................. 7
1) Un peu d’histoire.................................................................................................................. 7
a) Décharge électrique et plasma dans la nature.................................................................................. 7
b) Les premières expériences : ............................................................................................................ 9
2) Type de décharges 11
a) Décharges pointe-pointe................................................................................................................ 11
b) rnte-plan......... 12
c) Décharges plan-plan...................................................................................................................... 14
3) Applications industrielles .................................................................................................. 14
a) Dépollution, traitements des déchets............................................................................................. 14
b) Métallurgie .................................................................................................................................... 16
c) Catalyse de réactions chimiques.................................................................................................... 17
d) Dépôts et gravure .......................................................................................................................... 18
e) Lumière ......................................................................................................................................... 19
4) Alimentations fréquemment utilisées............................................................................... 19
a) Source de courant............ 20
b) de tension 21
5) But recherché ..................................................................................................................... 21
Chapitre II : Couplage entre la décharge et l’alimentation - modélisation ..................... 25
1) Caractéristique et couplage............................................................................................... 25
a) Couplage entre l’alimentation et la décharge ................................................................................ 25
b) Conclusion sur les couplages ........................................................................................................ 32
c) Caractéristique tension/courant du gaz..........................................................................................33
2) Phénomènes physiques et formulations mathématiques ................................................ 35
a) Grandeurs physiques considérées.................................................................................................. 35
b) Phénomènes électriques de base de la décharge............................................................................ 39
c) Influences des caractéristiques du réacteur sur le comportement électrique de la décharge ......... 46
d) Conclusion sur les caractéristiques électriques d’un dispositif ..................................................... 48
e) Modélisation générale ................................................................................................................... 49
3) Modèle filamentaire ........................................................................................................... 56
a) Modèle circuit de la décharge ....................................................................................................... 56
b) Comparaison des modèles en régime statique............................................................................... 67
c) Compodèle en régime dynamique ........................................................................... 69
4) Modèle discrétisé................................................................................................................ 72
a) Discrétisation................................................................................................................................. 72
b) Exemple d’application pour une décharge mono filamentaire ...................................................... 79
c) Simplification du modèle discrétisé et application à une décharge glissante ................................ 82
5) Conclusion .......................................................................................................................... 91
Chapitre III : Identification numérique des paramètres d’un modèle............................. 95
1) Objectifs recherchés........................................................................................................... 95
Sommaire
2) Méthode d’identification ................................................................................................... 96
a) Définition du modèle..................................................................................................................... 96
b) Méthodes d’identification ............................................................................................................. 98
c) La méthode d’identification du modèle....................................................................................... 101
3) Mise en œuvre de la méthode du modèle ....................................................................... 106
a) Conventions utilisées pour décrire le modèle.............................................................................. 106
b) Interface mise en oeuvre ............................................................................................................. 108
c) Calcul des gradients......... 111
d) Paramètres de l’identification...................................................................................................... 112
e) Résultats d’identification............................................................................................................. 112
f) Application à l’identification des paramètres d’un dispositif de décharge.................................. 114
4) Conclusion ........................................................................................................................ 116
Chapitre IV : Décharge à courant continu...................................................................... 119
1) Point de fonctionnement recherché ................................................................................ 119
a) Structure de puissance proposée.................................................................................................. 120
b) Dimensionnement des composants ............................................................................................. 126
c) Commande proposée................................................................................................................... 134
d) Alimentation industrielle............................................................................................................. 146
2) Extension de la plage de fonctionnement. 149
a) Contraintes due au couplage entre l’alimentation et la décharge ................................................ 150
b) Contrôle indirect de la tension de sortie...................................................................................... 159
c) Evaluation des performances des commandes proposées ........................................................... 170
d) Fourchette courant/tension .......................................................................................................... 174
3) Particularités du fonctionnement du glidarc résultant de son alimentation par une
source de courant .......................................................................................................................... 179
4) Conclusion ........................................................................................................................ 182
Chapitre V : Dispositif à barrière diélectrique ................................................................ 185
1) Présentation du point de fonctionnement recherché .................................................... 185
2) Equations aux électrodes................................................................................................. 186
a) Phénomène général....... 186
b) Phénomènes particuliers.............................................................................................................. 194
3) Dispositif d’investigation expérimental.......................................................................... 196
4) Modélisation ..................................................................................................................... 201
a) Gaz .............................................................................................................................................. 202
b) Diélectrique.............. 203
c) Modèle de l’alimentation ............................................................................................................ 209
5) Validation expérimentale ................................................................................................ 210
a) Courbes expérimentales .............................................................................................................. 210
6) Conclusion ........................................................................................................................ 218
Conclusion générale 221
Bibliographie ......................................................................................................................... i
Annexe : calcul des gradients pour l’identification ............................................................ 1
Annexe : mise en équation du système pour la simulation d’une décharge entre deux
points.......................................................................................................................................... 5
Annexe : liste des programmes pour l’identification .......................................................... 9
Annexe : schéma des cartes électroniques de commande................................................. 11
a) Les temps morts ............................................................................................................................ 11
Sommaire
b) Gestion du flux dans le transformateur ......................................................................................... 12
c) Gestion des sécurités ..................................................................................................................... 14
d) Filtrage des mesures...................................................................................................................... 15
e) Régulation de courant avec une fourchette à fréquence fixe......................................................... 16



Introduction générale