1

Applications

A – Réseaux électriquesa. Ligne aérienne

b. Isolateurs

c. Dispositifs de coupure

d. Dispositifs de protection

e. Coordination des isolements

f. Câbles

B – Autres applicationsa. Xérographie

b. Dépoussiérage

c. Rayons X

d. Fragmentation sélective

e. Conservation alimentaire

f. Atomisation électrostatique

g. Taser

Réseaux électriques

2

A. Le réseauélectrique

7. Applications > A. Le réseau électrique

3

Ligne aérienne7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

1. Les conducteurs

Valeurs typiques min max

Courant nominal [A] 105 1150

Résistance [W/km] 1,88 0,043

Masse [kg/km] 62 2570

Diamètre total [mm] 5,4 36

Coefficient de dilatation [ °C-1] 2,310-4

Les espaces antivibration servent à amortir les oscillations produites par le vent.

4

Ligne aérienne7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

2. Suspension des conducteurs Lorsqu’un courant I circule dans le câble, sa température TC est supérieure à la température ambiante Ta : 2

c a 2 3

IT T

k 2 r

avec : r = rayon du conducteur k = coef. de refroidissement

Sous l’effet de l’échauffement, le câble s’allonge :

c a c aL(T ) L(T ) 1 (T T )

avec : a = coef. de dilatation

[52]

5

Les isolateurs7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

L’isolation est l’ensemble des matériaux et parties utilisés pour isoler des éléments conducteurs d'un dispositif

Un système d’isolation est un matériau ou un assemblage de matériaux isolants, à considérer en liaison avec les parties conductrices associées, tel qu’il est appliqué à un matériel électrique d’un type ou d’une taille donnés, ou à l’une de ses parties.

L’isolement est l’ensemble des propriétés qui caractérisent l’aptitude d’une isolation à assurer sa fonction.

Un isolateur est un dispositif destiné à isoler électriquement et à maintenir mécaniquement un matériel ou des conducteurs portés à des potentiels différents.

Définitions :( CEI )

La Commission électrotechnique internationale (CEI) a édité 27 normes différentes relatives aux isolateurs.

6

Les isolateursChaîne d’isolateurs « capot et tige » (cap and pin insulator)

Différents matériaux

Porcelaine, verre, fibre de verre, silicone

Différentes fixations

Rotule et logement de rotule( Ball and socket )

Chape et tenon( Clevis and tongue )

Crochet et œillet ( Hook and eye )

Source : Verizon

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

7

Les isolateursIsolateurs rigide (rigid insulator)

Différentes variantes

Isolateur rigide à tige ( Pin insulator )

Her

cule

s Bu

sine

ss D

irect

ory

Isolateur rigide à socle ( Line-post insulator )

Zhej

iang

Hen

gda

Elec

tric

Isolateur à fût massif ( Solid core insulator )

Cji P

orce

lain

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

8

Dimensionnement électrique (1)L’isolateur doit supporter la tension de service, ainsi que les tensions transitoires : ‐ par temps sec (ligne de contournement)‐ sous pluie, sous brouillards salins, en

présence de pollution (ligne de fuite)

Définitions : La ligne de fuite Lf est la distance la plus courte, le long de la surface d'un isolant solide, entre deux parties conductrices.

La ligne de contournement Lc est la distance la plus courte dans l’air, entre deux parties conductrices d’un isolateur.

La ligne de perforation Lp est la distance la plus courte dans la matière isolante d’un isolateur, entre deux parties conductrices.

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

9

Dimensionnement électrique (2)Critères1. La rigidité diélectrique de l’air est beaucoup plus élevée que celle de la surface

isolante Lf >> Lc

2. Isolateur de classe A : Lp ½ Lc ; Isolateur de classe B : Lp <

½ Lc

La tension de perforation n’est spécifiée que pour les isolateurs de classe B.

Exemples (CEI 60273)Tension de tenue à Tension de tenue au Hauteur Diamètre* Ligne de50 Hz sous pluie [kV] choc de foudre [kV] [mm] [mm] fuite [mm]

35 75 215 135 ~ 170 190

230 550 1220 170 ~ 250 1970

740 1675 3850 330 ~ 420 6700

* Gamme de diamètre selon la charge de rupture mécanique désirée

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

10

Dimensionnement électrique (3)Influence des capacités parasites.

Dans la ligne haute tension, les capacités parasites contre terreet contre la ligne conduisent àune distribution inhomogène du potentiel le long de la chaîne d’isolateurs.

Les anneaux / cornes de garde permettent :‐ d’équilibrer le potentiel en créant une capacité

supplémentaire en parallèle avec les capacités parasites ;‐ d’éviter un choc thermique sur l’isolateur en cas de court-

circuit, en offrant un chemin d’amorçage préférentiel ;‐ de limiter l’effet de couronne (perturbations radio).

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

11

Dimensionnement électrique (4)Distribution de la tension sur une chaîne de 10 isolateurs suspendus :

sans anneaux de garde

avec anneau de garde

Source : M. Aguet, M. Ianovici, Traité d’électricité vol. XXII, p. 312

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

12

Autres dimensionnementsDimensionnement mécaniqueSur une ligne à haute tension, les isolateurs :‐ doivent supporter le poids des conducteurs qui peuvent peser plusieurs

kilogrammes par mètre ;‐ subissent des efforts de flexion et de torsion, dus au balancement des

conducteurs sous l’effet du vent.

Essais de rupture mécanique et électromécanique

Autres contraintes soumises à essaisEssai sous pluie Essai sous brouillard salinEssai sous pollutionEssai au choc thermiqueEssai de galvanisation des conducteursEssai d’absence de porositéEssai de perturbations radioélectriques Essai de vieillissement

7. Applications > A. Le réseau électrique > a. Isolateurs

13

Les dispositifs de coupure (1)7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

L’interrupteur est un composant ayant un organe de commandeet des contacts permettant d’établir ou d’interrompre un circuit.

Le disjoncteur est un dispositif mécanique de coupure capable d'établir, de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions anormales spécifiées du circuit, telles que celles du court-circuit.Types de construction : disjoncteurs à huile, à air, à SF6 , à vide

Le contacteur est un disjoncteur qui n’a qu’une seule position de repos.

Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion qui assure, en position d’ouverture, une distance de sectionnement satisfaisant à des conditions spécifiées.Types de fonction : sectionneur de ligne, de neutre, de terre.

Définitions :( CEI )

La sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure. Il sert à assurer la sécurité des intervenants. [Clip-10] [Clip-11]

14

Les dispositifs de coupure (2)7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure

Le coupe-circuit à fusible est un appareil dont la fonction est d’ouvrir par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à cet effet le circuit dans lequel il est inséré en coupant le courant lorsque celui-ci dépasse pendant un temps suffisant une valeur donnée.

Le courant conventionnel de déclenchement / de fusion est la valeur spécifiée du courant qui provoque le déclenchement d’un disjoncteur / la fusion d’un fusible, avant l'expiration d'un temps spécifié, appelé temps / durée conventionnel/le.

Le pouvoir de coupure est la valeur du courant présumé qu'un dispositif de coupure est capable d'interrompre sous une tension fixée et dans des conditions prescrites d'emploi et de comportement.

Le courant minimal de coupure est la valeur minimale du courant présumé qu’un fusible peut couper, dans des conditions spécifiées.

Le courant présumé est le courant qui circulerait dans le circuit, si le dispositif de coupure était remplacé par un conducteur d'impédance négligeable.

Définitions :( CEI )

15

Les disjoncteurs7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Différents types de construction• Disjoncteurs à grand / faible volume d’huile. Pratiquement plus

fabriqués aujourd’hui.• Disjoncteurs à gaz : air, SF6. Les plus courants en haute tension.• Disjoncteurs à vide. Fréquemment utilisés en moyenne tension.

Disjoncteur à vide, 12 kV. Temps d’ouverture : 3 msSource: ABB

16

Types de disjoncteurs

Cahi

er te

chni

que

Schn

eide

r n° 1

71

Disjoncteur à SF6 , 72,5 kVTemps d’ouverture : 35 ms

ABB

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Complément facultatifCahier technique n°101

de Schneider Electric

17

Disjoncteurs à vide7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Joint Electrical Institutions (Sydney)

Courbe de Paschen pour les très faibles pressions

Au-dessous du minimum de Paschen, la tension disruptive augmente, avant de se stabiliser à une valeur comparable à celle qui existe à pression atmosphérique

18

Processus de coupureDéfinition : la tension transitoire de rétablissement (TTR) est la tension qui

apparaît aux bornes d’un dispositif de coupure immédiatement après la coupure.

la tension de tenue diélectrique (TTD) est la tension disruptive du milieu interélectrode immédiatement après la coupure.

Coupure réussie Coupure ratée

Si la vitesse de régénération (taux d’accroissement de la TTD) est plus faible que la vitesse d’accroissement de la TTR, il y réamorçage de l’arc entre les électrodes :

la coupure échoue

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

19

Le soufflage de l’arcDifférents types de soufflage à l’ouverture

• Soufflage pneumatique. Un gaz sous pression est projeté sur l’arc.

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Disjoncteur pneumatique

Disjoncteur à autoexpansion

Complément facultatifCahier technique n°171

de Schneider Electric

20

Le soufflage de l’arcDifférents types de soufflage à l’ouverture

• Soufflage magnétique. Le courant à couper génère un champ magnétique qui étale l’arc et le pousse vers les parois : soufflage radial, soufflage à arc tournant.

• Soufflage combiné. Soufflage pneumatique et magnétique simultané.

Complément facultatifCahier technique n°198de Schneider Electric

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

Étirement de l’arc, comme dans l’échelle de Jacob: [Clip-1]

21

Conditions de la coupureLa réussite de la coupure dépend :

• du type de charge à couper :‐ charge résistive : la TTR atteint umax = Û en un quart de période.‐ charge capacitive (ligne ouverte) : la TTR atteint umax = 2 Û en une demi

période.‐ charge inductive (sur réactance de compensation) : la TTR peut atteindre

umax = 2 Û, en un temps qui dépend de la fréquence propre des oscillations de tension.

• de l’instant de l’ouverture, par rapport à la phase du courant à couper. Idéalement, l’ouverture du disjoncteur a lieu à l’instant où le courant passe par zéro (en AC), grâce à une commande asservie à un capteur de courant.

En pratique, l’incertitude sur l’instant de la coupure provoque un arrachement du courant qui conduit à des transitoires plus ou moins destructeurs.

7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Disjoncteurs

22

Les fusibles7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Fusible 12 kV , 200 APouvoir de coupure : 12’000 A

ABB

Les fusibles sont utilisés en moyenne tension.

Les fusibles ont un très haut pouvoir de coupure : l’énergie dégagée lors de la fusion du conducteur est absorbée par du sable entourant le conducteur, sous forme de chaleur latente de vitrification.

Les fusibles sont caractérisés par leur courbe courant – temps. À fort courant I, le temps de fusion t est très court et suit une loi adiabatique :

Pour des courants légèrement supérieurs au courant nominal, le temps de fusion dépend du transfert de chaleur vers l’extérieur.

2thW I t

Complément facultatifCahier technique n°128

de Schneider Electric

23

Caractéristique courant – temps7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Fusibles

Fusibles 7,2 kVToyoaki OMORI, Development of a high-voltage current-limiting fuse,Fuji Electric Review (1967)

Conditions de coupure• Le courant minimal de coupure

I3 est compris entre 2 et 6 x In .

• Pour un courant inférieur à I3 ou supérieur au pouvoir de coupure I1 , la coupure échoue.

Échec de la coupure :[Clip-9]

24

Les sectionneurs7. Applications > A. Le réseau électrique > b. Dispositifs de coupure > Sectionneurs

Sectionneur horizontal, 252 kV

PEAG

Sectionneur - fusible, 38,5 kV

Drie

sche

r

Sectionneur vertical, 36 kV

ABB

Les combinaisons sectionneurs / fusibles permettent de protéger un composant (par exemple : transformateur) en cas de défaut (par exemple : court-circuit), puis de le déconnecter du réseau.

Complément facultatifCahier technique n°193

de Schneider Electric

25

Les éclateurs de protection7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

L’éclateur est le dispositif le plus simple pour protéger les équipements du réseau et les personnes contre les surtensions.

Inconvénients• Tension d’amorçage mal définie : elle

dépend non seulement du type de surtension mais aussi des conditions atmosphériques.

• Extinction de l’arc non contrôlée : si l’arc se maintient (alimenté par le réseau), il provoquera le déclenchement d’une protection (disjoncteur).

Les éclateurs sont de plus en plus souvent remplacés par des parafoudres.

Complément facultatifProtection des oiseaux

26

Protection des oiseaux7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Éclateurs

Les distances prescrites entre les conducteurs doivent tenir compte de l’envergure des grands oiseaux.

27

Les parafoudres7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Le parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la durée et souvent l’amplitude du courant de suite.

Types de construction : - parafoudre à éclateur.- parafoudre à résistance variable (ZnO).- parafoudre combiné.

L’amorçage est la décharge disruptive survenant entre les électrodes du parafoudre.

La tension d’amorçage à fréquence industrielle est la tension efficace qui provoque l’amorçage à 50 Hz.

La tension d’amorçage au choc est la plus faible valeur de crête présumée d’un choc provoquant l’amorçage à chaque fois.

Définitions :( CEI )

© E

PFL

- LRE

200

8

Parafoudre à éclateur à soufflage magnétique 52,5 kV , 10 kA

28

Caractéristiques des parafoudresLa durée jusqu’à l’amorçage est l’intervalle de temps entre l’origine conventionnelle d’un choc et l’instant d’amorçage.

La courbe tension – temps d’amorçage au choc représente la variation de la tension la plus élevée atteinte avant l’amorçage en fonction de la durée jusqu’à l’amorçage.

Le courant de décharge est le courant qui s’écoule durant l’amorçage.

La tension résiduelle est la tension qui apparaît entre les bornes du parafoudre pendant le passage du courant de décharge

Le courant de suite est le courant débité par le réseau et écoulé par le parafoudre, après le passage du courant de décharge.

Définitions :( CEI )

Parafoudre ZnO264 kV , 20 kA

ABB

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

29

Prescriptions des parafoudres• La tension d’amorçage à fréquence industrielle doit être

supérieure à 1,5 x Un .

• La tension maximale d’amorçage au choc doit être inférieure à une valeur de crête comprise entre 2,6 et 8 x Un (selon le type de parafoudre), pour les deux polarités.

• La tension résiduelle au choc de foudre est mesurée en fonction du courant de décharge, sous chocs de courant 8/20 (durée conventionnelle du front : 8 ms, évaluée entre 10% et 90% de la valeur de crête ; durée à mi-valeur : 20 ms).

• Coupure du courant de suite : en moins de 25 ms.

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

Les parafoudres destinés à l’extérieur seront également soumis à des essais sous pluie, sous pollution, etc.

30

Caractéristique tension – tempsLe temps t que met le parafoudre pour réagir est en partie aléatoire.

Chocs de valeur decrête donnée

t court t long intervalle de t

Caractéristique tension – temps

Différentes valeursde crête

7. Applications > A. Le réseau électrique > c. Dispositifs de protection > Parafoudres

31

Coordination de l’isolement7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Définition : la coordination de l’isolement consiste en une sélection de la rigidité diélectrique des matériels, en fonction des surtensions qui peuvent apparaître dans le réseau, compte tenu de l'environnement en service et des caractéristiques des dispositifs de protection.Elle vise à maintenir la probabilité d’un dommage résultant d’une surtension à un niveau suffisamment bas pour que les coûts de réparation et les pertes d’exploitation restent supportables économiquement.

Définition : le coefficient de surtension est le rapport entre la valeur de crête de la surtension et la valeur efficace de la tension de service.

Surtensions d’origine externes• Principalement due à la foudre : impact

direct ou indirect.

• Surtension induite intentionnelle (NEMP).

Surtensions d’origine internes• Enclenchements et déclenchements de

diverses impédances.• Mise sous/hors tension d’une ligne.• Apparition de défaut dans le réseau.

32

Coordination de l’isolement7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Réduction des surtensions d’enclenchement par un disjoncteur à résistance de pré-enclenchement.

—— Tension —— Courant Échelle horizontale : 15 ms / div

Disjoncteur simple

M. Beanland + al. , Pre-insertion Resistors in High-Voltage Capacitors Bank Switching, 2004

Disjoncteur à résistance de pré-insertion (80 W)

33

Coordination de l’isolement7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Les parafoudres et les éclateurs sont les éléments essentiels de la coordination de l’isolement dans les réseaux électriques.

Concept général de la coordination de l’isolement

Jusqu’à 500 kV de tension de service, les coefficients de surtension les plus élevés sont dus à la foudre. Au-dessus de 500 kV, les surtensions dues aux manœuvres deviennent prépondérantes.

Complément facultatifCahier technique n°151

de Schneider Electric

34

Paramètres de la coordination7. Applications > A. Le réseau électrique > d. Coordination de l’isolement

Source de la surtension

• Valeur de crête.• Durée du front.• Durée à mi-valeur.• Oscillations.• Taux de répétition.• Arrachage du

courant.• Type de défaut (PP,

PPP, PT, PPT).• Instant du défaut.

…

Configuration

Choc de foudre

direct (ligne, pylône).

Choc indirect : au sol,

sur bâtiment, etc.

Longueur de la ligne.

Impédance de la ligne.

Distance des

transformateurs.

…

Réseau

Tension nominale.

Surtensions temporaires.

Type de mise à terre.

Qualité de la terre.

Puissance.

Type de charge.

Tension d’amorçage de parafoudres

…

Autres

Température

Pollution

Érosion

Vieillissement

…

En rouge : les paramètres non contrôlables et aléatoires.

35

Les câbles7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Dans les villes, le réseau MT est de plus en plus enterré.

SI L

ausa

nne

SI L

ausa

nneConducteur cuivre multibrin

Semiconducteur interne

EPR

Semiconducteur externe

Ruban gonflant

XLPE

Ruban gonflant

Écran métallique

Gaine isolante

Réseau urbain :

[47]

Les rubans gonflants protège le XLPE (sensible à l’eau) en cas de dommage à la gaine isolante.

Les semiconducteur réduisent le risque de décharges partielles. En outre, le semi-conducteur interne réduit le champ électrique à l’interface avec le conducteur.

36

Autres types de câbles7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Nex

ans

Câble triphasésuspendu, avec

corde d’acier (a)

Câble triphasé sous-marin, avec fibre optique (b)

Nex

ans

Extrémité de câble

Tensions disponibles jusqu’à 600 kV.Capacité linéique : 100 ~ 1000 pF/m … au moins 15 fois supérieure à celle d’une ligne aérienne

37

Câbles spéciaux7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Siem

ens

« Câble » 380 kV isolé au SF6

L’isolant peut être renouvelé à volonté ce qui résout le problème du

vieillissement

Câble monophasé supraconducteur

Pertes actives très faibles

Electra, n°243 avril 2009, p. 8

38

Énergie réactive dans les câbles7. Applications > A. Le réseau électrique > e. Câbles

Puissance active transmise (en % de la puissance apparente), en fonction de la longueur du câble et de la tension.

M. Fischer, “Energieübertragung und Kabeltechnik“, Bulletin ASE, vol.23, n°4, 18 déc. 1982, p. 1268

Sur de longues distances, il faut :- ajouter des bobines de compensation de l’énergie réactive ;

ou :

- convertir en DC

39

B. Autresapplications

7. Applications > B. Autres applications

40

Xérographie7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

La xérographie a débouché sur les procédés utilisés dans les imprimantes laser.

Principe

1. Un tambour est recouvert d’une couche dont la conductivité varie avec l’éclairement.

2. Un corotron ou scorotron charge le tambour par effet couronne.

3. L’image à imprimer est projetée par une source lumineuse sur le tambour Les parties éclairées deviennent conductrices Les charges électriques se concentrent dans les parties non éclairées.

4. Le toner se dépose sur le cylindre en étant attiré par les charges.

5. Le toner est transféré sur le papier par une nouvelle charge électrostatique.

Pour les Français, l’inventeur s’appelle Jean-Jacques Trillat (1899-1987).Pour les Américains, l’inventeur est Chester F. Carlson (1906-1968).

41

Impression par laser7. Applications > B. Autres applications > a. Xérographie

IBM

Scorotron

Potentiel sur le fil : 3 ~ 6 kVCourant : 20 ~ 50 mA

Complément facultatifIBM Info Color 70

42

Dépoussiérage électrostatique7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Élimination de poussières et de particules fines dans l’air.Le dépoussiéreur comporte :

1. une zone d’ionisation, dans laquelle les particules à éliminer sont chargées par un champ électrique ionisant ;

2. une zone de capture dans laquelle les particules chargées sont attirées par une électrode chargées en sens inverse

LTA

43

Dépoussiérage électrostatique7. Applications > B. Autres applications > b. Dépoussiérage

Élimination de poussières et de particules fines dans l’air, la fumée…

Endr

ess+

Hau

ser

Filtre à cendre de charbonEfficacité : 99,9% des particulesde moins de 300 mm

Filtre à particules pour chaudières à bois

Tension d’ionisation : 20 kVEfficacité : jusqu’à 90% des particules de moins de 10 mmConsommation : 12 W

Ruegg

44

Rayons X7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Principe de l’émission de rayons X

1. Thermo-émission d’électrons par un filament.

2. Accélération des électrons par une tension DC, en direction d’une cible métallique tournante (tungstène).

3. Émission de rayons X par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung)

Rayonnement de freinageAvec Wc petit, a 90°.Pour Wc grand, a 0.

Le rayonnement de freinage est en concurrence avec d’autres modes d’interaction électron – atome. La proportion p d’énergie cinétique Wc convertie en rayonnement de freinage est proportionnelle à Wc

et au numéro atomique Z de la cible :

En pratique, Z = 74 (tungstène)

Source : J. T. Bushberg + al. The essential Physics for Medical Imaging (2002), 934 pages [EPF-BC : COEN XF 250]

cp W Z

45

Tension d’accélération7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

La tension d’accélération doit être très stable : qualité de l’image !

Les transfos HF sont compacts et légers.

Accélération des électrons par une haute tension HF.La haute fréquence f permet d’éviter une grande capacité de lissage CL :

(voir chap. 5, slide 43)

es

L

Û GU cos

f C

46

Transformateur HF7. Applications > B. Autres applications > c. Rayons X

Les « pertes fer »La dissipation d’énergie dans le noyau d’un transformateur est due à deux facteurs :1. Les pertes Joule PJ dues aux courants de Foucault :

f fréquencer résistivité du noyau

2. Les pertes Ph dues à l’hystérèse magnétique :

Dans un transformateur HF, on limite les pertes fer en utilisant, pour le noyau, des matériaux à faible hystérèse et à grande résistivité, tel le carbonyle de fer, par exemple, ou des alliages de fer – silicium, etc.

Complément facultatif Pertes par courants de Foucault et par hystérèse

2JP f / p

hP f

47

Fragmentation sélective7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Fragmentation de minerai par impulsions haute tension

SelF

rag

Lab

Minerai de silicateUn minerai est généralement formé de différents matériaux présents sous forme d’inclusions.

Dispositif de fragmentation sélective par impulsions HT

48

Principe de la fragmentation7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Application d’impulsions à front raide

Impulsions de tension et de courantTension disruptive typique pour un minerai et pour l’eau, selon la forme des impulsions.

49

Caractéristiques7. Applications > B. Autres applications > d. Fragmentation sélective

Granit

Feldspath

Quartz

Mica

Source : selFrag-Lab

Par rapport aux autres techniques de frag-mentation, la méthode des impulsions HT :• sépare les grains selon les joints naturels ;• produit très peu de poussières ;• évite la contamination des minéraux par

du métal (absence de contact) ;• etc.

Concasseur à mâchoire

Complément facultatifConcasseurs mécaniques

50

Conservation des aliments7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Les impulsions de champ électrique (PEF) tuent les bactéries en détruisant leur membrane ou en augmentant sa perméabilité.Développement1960 ~ 80Recherches sur la destruction de différentes bactéries.7.07.1995 La Food and Drug Administration autorise le procédé.~ 2000 Premiers dispositifs opérationnels.

Utilisation• Liquides relativement peu conducteurs :

jus de fruit, lait, yogourts…• Traitement en continu.

Avantages• Pas d’agents conservateurs.• Pas d’altération du goût ou de l’aspect

comme avec la pasteurisation ou la congélation.• Pas d’utilisation de sources radioactives.

Ohi

o St

ate

Uni

vers

ity

Prototype industriel

51

Électroporation7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Définition : l’électroporation est la création de pores dans la membrane d’une cellule, par des impulsions électriques, afin de permettre la pénétration de certaines molécules.

Électroporation réversible : utilisée en génie génétique, etc.

Électroporation irréversible : conduit à la mort de la cellule

Champ faiblePolarisation de la membrane

Champ moyenÉlectroporation réversible

Champ élevéÉlectroporation irréversible

52

Aspects techniques7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Champ électriqueLe champ électrique nécessaire est de l’ordre du kV/mm.

Conditions à respecter :• Pas de courant trop élevé.• Pas de claquage diélectrique.

Puissances nécessaires• Essai en laboratoire : 2 kW• Essai en vraie grandeur : 75 kW• Production industrielle : 3 MW

Le traitement est effectué en continu

53

Impulsions7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Générateur d’impulsions à polarité alternée

Commutateurs :GTO (Gate turn-off thyristor),IGBT (Insulated-gate bipolar transistor),SGCT (Symetrical gate-commuted thyristor)

Circuit de déchargerésistif :

biexponentielle

Circuit de décharge inductif :

pseudocarrée

Avec l’IGBT, qui ne supporte pas des tensions supérieures à ~ 3 kV, on peut ajouter un transformateur d’impulsions élévateur de tension à la sortie des commutateurs.

54

Paramètres7. Applications > B. Autres applications > e. Conservation alimentaire

Ordre de grandeur• Crête des impulsions de tension : 10 ~ 50

kV• Crête des impulsion de courant : 2 ~ 10

A• Largeur des impulsions : 0,5 ~ 50 ms• Fréquence de répétition : 10 ~ 100 kHz

Performance

Mesurée par la fraction de micro-organismes survivants en fonction du champ électrique etde la durée du traitement Dépendances typiques de la

fraction de survivants en fonction du champ et de la durée

Les valeurs réelles dépendent du type de micro-organismes.

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Atomisation électrostatique7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Définition : l’atomisation électrostatique consiste en une fragmentation d’un jet de liquide en gouttelettes microscopiques.

Utilisation• Imprimantes à jet d’encre.• Peinture et autres revêtement de surface (miroirs, couche protectrice…)• Épandage de substance dans l’agriculture.• Préparation de composants à nanoparticules.

On parle aussi parfois d’atomisation électrostatique pour la projection de poudre dont les grains sont chargés et accélérés par un champ électrostatique.

Avantage (par rapport à d’autres procédés d’atomisation)• Les gouttelettes se repoussent mutuellement (pas de risque d’agglomération).• La trajectoire des gouttelettes peut être contrôlée électriquement.• Les gouttelettes peuvent être triées par taille.

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Principes de l’atomisation7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

L’atomisation des jets de liquide a été étudiée depuis la fin du 19e siècle

1. Un jet de liquide fin, poussé à travers un trou de rayon R, présente une instabilité ondulatoire, de longueur d’onde l.

La longueur d’onde dépend de la densité, de la viscosité et de la tension superficielle du liquide.

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Principes de l’atomisation7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

2. L’amplitude de l’instabilité tend à augmenter, et produit un fractionnement du jet en gouttelettes de tailles relativement régulière, à condition que :

R < l/2p

3. Avec un liquide plus ou moins conducteur, le processus de fractionnement est favorisé par la présence d’un champ électrique transversal :

a. Le champ polarise le jet de liquide ;

b. L’interaction des charges, accumulés sur les surfaces du jet, avec le champ électrique induit des forces radiales ;

c. Lorsque ces forces électrostatiques dépassent la tension superficielle du liquide, le jet se fractionne.

Lorsque la condition n’est pas satisfaite, le jet a tendance à se disloquer de manière irrégulière.

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Contrôle des gouttelettes7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

Création de gouttelettes pour l’épandage deproduits agricolesJ. M. WILSON, A linear source of electrostatically charged spray, Journal of Agricultural Engineering Research, vol. 27 n°4, juillet 1982, pp. 355-362

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Imprimante à jet d’encre7. Applications > B. Autres applications > f. Atomisation

La distribution de la tailledes gouttes est beaucoupplus étroite si l’on soumetl’orifice d’éjection à unevibration dont la fréquenceest de l’ordre de 100 kHz.

Ordres de grandeur :• diamètre du trou : 20 mm• tension de charge : ~ 200 V• tension de déflection : ~ 4 kV• diamètre des gouttes : ~ 0,1 mm

Complément facultatifImprimante à jet d'encre

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Taser7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Le taser agit sur le système nerveux et bloque le contrôle volontaire des muscles moteurs.À l’aide d’une capsule d’azote sous pression, les tasers propulsent deux aiguilles reliées à l’appareil par des fils conducteurs permettant d’injecter une impulsion de courant.

Taser M26

Le taser M26 est remplacé par le X26, en principe moins dangereux.

Le mot taser est l’acronyme de l’entreprise Thomas A. Swift Electric Rifles (tiré du nom du bricoleur et héros de romans pour enfants : Tom Swift).

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Caractéristiques des tasers7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Impulsions des courants sur une charge typiqueComparaison des modèles X26 et M26

Les tasers injecte des séries d’impulsions

Comparaison des modèlesM26 X26

Tension à vide [kV] 50 50

Tension en charge [kV] 5 1.2

Énergie par impulsion [J] 0,5 0,07

Puissance totale délivrée [W] 10 1.3

Cadence d’impulsions [/s] 20 19

Durée d’une série [s] 5 5

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Générateur d’impulsions7. Applications > B. Autres applications > g. Taser

Le schéma électrique des tasers n’est pas dévoilé par l’entreprise TASER.COM

Complément facultatifSchéma de taser

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La ligne d’arrivée