Modélisation du comportement d’une torche

Convertisseur DC-DC

Le choix de la configuration et de la conception de la source DC représente une décision importante dans la mise en place d’un système de torche à plasma étant donné que la puissance a un rôle primordial àjouer dans l’enthalpie du processus dont l’ effet sera discuté dans le chapitre 2. De plus, ces caractéristiques électriques instables au démarrage et une fois le régime permanent établi font de leur design un véritable défi pour la conception d’une source d’alimentation efficace et adaptée à ce type d’ application. Aussi, la performance globale de la torche est directement influencée par sa stabilité et se mesure par les propriétés électriques de l’arc électrique. Outre les perturbations auxquelles le jet de plasma est soumis, la stabilité joue un rôle important sur le chauffage des particules et la qualité du revêtement produit, dans les applications de production de poudres sphériques. L’emploi d’une source DC est préféré à une source alternative puisqu’elle est moins polluante sur le réseau électrique du point de vue de l’effet « flicker », du facteur de puissance et du taux de distorsion harmonique comme le rapporte Ladoux.P, et al suite à leurs travaux. [ 18].

Le marché actuel offre une large gamme de choix en ce qui a trait aux sources de courant continu pour les applications à haute puissance. La distinction compétitive repose sur le développement d’un produit performant et fiable à prix compétitif. Ceci peut être obtenu à l’aide d’un choix judicieux de configuration de convertisseur favorisant l’optimisation des composants nécessaires ainsi qu’une méthode de contrôle simplifiée. Les sources à courant continu ainsi que les méthodes de contrôle ont largement été élaborées au cours des dernières années. Dominant le marché de l’électronique de puissance depuis plusieurs décennies, les technologies à thyristor et à diode sont utilisées dans la majorité des sources d’alimentation DC à plasma et autres systèmes de puissances élevées. Ces types de convertisseurs sont destinés aux applications incluant des redresseurs de puissance à fort courant et dans les applications électrochimiques. Bien qu’elle soit très populaire, cette technologie présente de nombreux inconvénients dans ce type d’application dus à leur capacité limitée à permettre l’allumage des torches, à leur vitesse de réponse lente et à leur faible capacité de résistance face aux perturbations externes et leur mauvaise qualité de l’onde [4]. Un autre problème lié à l’utilisation de thyristor concerne la stratégie de contrôle de phase sur ces redresseurs. Les fluctuations de tension de l’arc électrique produisent de grandes variations de la puissance réactive sur le réseau électrique d’alimentation. Pour pallier à ces problèmes connus et traités largement dans la littérature, les redresseurs à thyristor sont souvent utilisés avec des compensateurs de puissance réactive (SYC) ou des compensateurs de type STATCOM tel qu’illustré à la Figure 1-1 [18].

Les SYC se composent d ‘un banc de condensateurs servant de filtre anti-harmonique et d’un gradateur triphasé à thyristors, qui par la variation du courant dans des inductances, consomment la puissance réactive. Ils permettent aussi de compenser l’effet de clignotement (( flicker ») causé par une fluctuation de la tension électrique en raison des perturbations électromagnétiques. Bien qu’ ils permettent de produire une source de courant stable, ces types de compensateurs engendrent des coûts supplémentaires pour les industriels dus à l’achat, au remplacement de pièces et à la maintenance de ces équipements accessoires. Pour des applications de haute puissance, le coût des composants de base tels que les inductances et les condensateurs nécessaires dans ces compensateurs sont très élevés et font de l’équipement un produit peu compétitif sur le marché industriel. Il est donc primordial, dans le cadre d’un 6 produit industriel, d’optimiser les composants tout en leur octroyant les performances et la fiabilité requises. Bien conscient de cet enjeu, [18] propose d’éliminer les compensateurs STATCOM et SVC à l’aide d’une stratégie de contrôle qui supprime l’effet « flicker » à l’aide d’un convertisseur ACIDC basé sur un redresseur à diodes suivi d’un hacheur muni d’un contrôle de puissance constant. Les inconvénients des diodes et des thyristors ont été traités ci-haut.

De plus, cette étude a uniquement été validée en simulation et non sur une application industrielle. Une autre solution existante dans la littérature est l’utilisation d’un convertisseur DC-DC à pont de diode à trois niveaux accompagnés d’un redresseur à diodes tel que proposé par [15] pour des systèmes de torches à plasma allant jusqu’à 3 MW. Ces derniers sont efficaces et peuvent assurer une ondulation sur le courant de sortie inférieure à 10% lors de fluctuations de la charge [15]. Étant donné qu’une tension élevée est requise pour le démarrage initial d’une torche à plasma, la configuration proposée comporte un circuit externe supplémentaire permettant de fournir jusqu’à 30 kV au moment de l’allumage. Ce circuit supplémentaire ajouté en parallèle au montage du convertisseur est également responsable d’éliminer le bruit et de compenser les perturbations externes. Encore une fois, des coûts supplémentaires sont engendrés par l’ajout d’un circuit externe. La méthode de contrôle est d’autant plus complexe puisqu’il faut gérer les deux circuits. Une fois encore, cette étude théorique ne semble pas avoir été validée et testée sur un système réel de torche à plasma. D’autres topologies sont proposées telles que des redresseurs de ponts à thyristors ou de diode à multipulsions [18]. Ces configurations sont pertinentes, mais peuvent difficilement permettre le réglage du courant. Ils ne permettent donc pas toujours l’allumage de l’arc ni son maintien en condition normale d’opération.

Stabilité En industrie, la rentabilité d’un tel système dépend grandement de sa capacité à répondre aux demandes de production qui peut parfois nécessiter une opération sans interruption pendant de longues périodes de temps. Les industriels recherchent un produit d’une grande fiabilité qui permet d’éviter les arrêts fréquents non justifiés. Or, la grande instabilité des jets de plasma rend cette tâche difficile puisqu’une mauvaise régulation de la source d’alimentation DC peut créer des arrêts réguliers et obliger les utilisateurs à réaliser des interventions de maintenance non désirées. Dans le cas d’applications de production de revêtements et de poudres sphériques dont il est question dans ce travail, il est bien connu dans la littérature que la stabilité de l’arc électrique a d’importantes influences sur la qualité du produit final [20]. Dans les applications de poudres sphériques, la production d’un revêtement de très haute qualité doit se faire de sorte que les particules de poudre reçoivent la même quantité d’énergie et sont donc chauffées, fondues, accélérées et déposées uniformément. Cette caractéristique importante est directement proportionnelle à la capacité de la torche à générer un flux de particules dont la température et la vitesse sont constantes. En d’autres mots, l’homogénéité du chauffage et l’accélération sont directement liées à la stabilité du jet de plasma. Étant donné que ce dernier présente de très larges fluctuations dues à différents phénomènes électriques et magnétiques, il est très difficile de maintenir un arc constant permettant d’assurer une bonne reproductibilité de la qualité des particules produites. Afin de proposer une solution de stabilisation de l’ arc, il est primordial de comprendre comment ce dernier fluctue en fonction de l’écoulement du gaz, de la température et des champs électromagnétiques. Bien que de nombreux outils existent aujourd’hui permettant de mesurer la taille, la température, la vitesse des particules, etc. les travaux réalisés par [27] viennent agrémenter grandement la littérature peu riche sur cette question

Contrôleur parallèle

Une sélection entre les deux contrôleurs devra être établie en fonction de la valeur de l’erreur tel que présenté dans le diagramme de la Figure 4-3. Le fonctionnement de cette table de décision se produit de la façon suivante: lorsque l’erreur est supérieure à la valeur de référence imposée, et donc à l’intérieur de l’intervalle d’action du contrôleur bang-bang, le choix reposera sur celui-ci qui ramènera la réponse du processus à une valeur près du point de consigne et qui l’empêchera de dépasser les limites du procédé et ainsi causer son arrêt. Lorsque le courant mesuré reviendra à l’intérieur de la plage délimitée, le contrôleur PID s’occupera d’éliminer l’erreur restante et de ramener le système à sa stabilité. La figure 4-4 montre comment les deux contrôleurs sont intégrés en parallèle. Ce contrôle sera réalisé indépendamment sur chacune des branches, c’est-à-dire que chaque sortie aura son propre contrôleur afin de faciliter la régulation du courant total. Il sera démontré dans le chapitre suivant qu ‘exercer un contrôle sur la sommation des deux branches, et par le fait même, sur le courant total de sortie est difficile étant donné que la régulation doit être également répartie sur les deux entités. Or, les composants électroniques non idéaux en pratique et ne se comportant pas exactement de la même façon seront difficiles à gérer adéquatement. Un contrôleur sera donc développé pour chacune des branches, et la commande sera décalée de 180 degrés pour les raisons mentionnées ci-haut. Afin de réaliser le contrôle sur chacune des branches du convertisseur entrelacé, il sera nécessaire d’obtenir la valeur du courant sur chacune de celles-ci qui sera utilisé comme signal de retour. Chacune des branches sera dotée d’un capteur de type LEM de 400 A permettant d’obtenir un signal analogique qui sera filtré et comparé avec la consigne. Les contrôleurs veilleront par la suite à ce que le courant lu corresponde à la consigne demandée.