Brevet FR3091409A1 — publié le 20200703

Description Titre de l'invention : Dispositif de décharge électrique impul- sionnelle Domaine technique [0001] La présente invention se rapporte au domaine de l'électronique de puissance et concerne plus particulièrement un dispositif et un procédé de décharge électrique impulsionnelle dans un liquide. De tels procédé et dispositif trouvent notamment leur application au formage électrohydraulique, aux outils sismiques, à la stimulation de puits de pétrole ou à la lithotripsie. Technique antérieure [0002] En électronique de puissance, il est connu d'utiliser un dispositif de décharge électrique impulsionnelle permettant de transférer en une fraction de seconde un courant de très haute intensité sous très haute tension entre deux électrodes immergées dans un liquide. La tension entre les deux électrodes est fournie par une alimentation externe, comprise par exemple entre 1 et 40 kV, comprenant des modules capacitifs permettant de stocker l'énergie électrique et de la restituer en une fraction de seconde sous la forme d'un courant de très haute intensité sous très haute tension. [0003] De manière connue, lors d'une décharge électrique impulsionnelle à haute tension dans un liquide, par exemple dans de l'eau, on distingue deux phases : une première phase, dite « de chauffage » ou « pré-décharge », suivie d'une deuxième phase dite de « claquage ». La phase de chauffage est déclenchée par la mise sous tension de l'une des électrodes à une première valeur de tension élevée, par exemple de 20 kV, l'autre électrode étant reliée à une masse fixant la référence de potentiel, par exemple de 0 kV. Lors de la phase de chauffage, la tension définie entre les deux électrodes permet de chauffer le liquide jusqu'à ébullition afin de créer un canal gazeux permettant de créer les conditions de claquage. La fourniture d'énergie au liquide entraine une chute de tension aux bornes des électrodes jusqu'à une deuxième valeur de tension pour laquelle l'énergie fournie au liquide est suffisamment importante pour déclencher le claquage. Le claquage correspond à une décharge électrique se propageant dans le canal gazeux et créant. un arc électrique permettant la circulation du courant. entre les deux électrodes. [0004] Cependant, ce type de dispositif présente plusieurs inconvénients, notamment dans son application au formage électrohydraulique d'une pièce métallique. Tout d'abord, le niveau de tension au moment de la création de l'arc n'est pas maitrisé. L'énergie concentrée entre les électrodes, qui est ensuite convertie en onde de pression, n'est donc pas constante d'un tir à un autre. Dans son application au formage, il en résulte 2 que, d'un essai à l'autre, la pression de formage appliquée sur la pièce n'est pas identique. Or, de telles différences de formage peuvent se révéler trop importantes de sorte qu'une partie des pièces produites ne soit pas conforme. Exposé de l'invention [0005] La présente invention a pour but de remédier au moins en partie à ces inconvénients en proposant une solution simple, fiable et efficace de dispositif de décharge électrique impulsionnelle. [0006] À cet effet, l'invention a tout d'abord pour objet un dispositif de décharge électrique impulsionnelle dans un liquide, ledit dispositif comprenant au moins une paire d'électrodes, configurées pour être immergées dans ledit liquide, et un générateur de tension, apte à appliquer une tension dc chauffage entre les électrodes de ladite au moins une paire d'électrodes pendant une durée dite « de chauffage » afin de chauffer le liquide jusqu'à provoquer une décharge électrique impulsionnelle dans ledit liquide, ledit dispositif étant remarquable en ce qu'il comprend en outre un module de contrôle configure pour : [0007] - commander le générateur de tension à partir d'une consigne de tension de chauffage prédéterminée afin que ledit générateur de tension applique une tension dc chauffage entre les électrodes dc ladite au moins une paire d'électrodes pendant la durée dc chauffage jusqu'à obtenir une décharge électrique in-pulsionnelle entre lesdites électrodes, [0008] - mesurer la tension aux bornes des électrodes afin dc déterminer la tension, dite « de claquage », à laquelle la décharge électrique impulsionnellc s'est produite, [0009] - estimer la quantité d'énergie fournie au liquide pendant la durée de chauffage, dite « quantité d'énergie de chauffage », à partir dc b consigne de tension de chauffage prédéterminée et de la tension de claquage mesurée, [0010] - déterminer une nouvelle consigne de tension de chauffage à appliquer entre les électrodes de ladite au moins une paire d'électrodes à la prochaine décharge électrique impulsionnelle à partir de la quantité d'énergie de chauffage estimée et d'une consigne de tension de claquage predefinie. [0011] Le dispositif selon l'invention permet d'appliquer une consigne de tension dc chauffage qui est fonction à la fois de la quantité d'énergie dissipée lors de la décharge électrique impulsionnelle précédente et des pertes énergétiques générées pendant la durée de chauffage du tir précédent, lesdites pertes étant proportionnelles à la tension de claquage. Une telle consigne permet de contrôler avec précision le niveau de tension au moment du tir. L'énergie concentrée entre les électrodes, qui est ensuite convertie en onde de pression, est ainsi sensiblement constante d'un tir à un autre. Dans son application au formage, il en résulte que, d'un essai à l'autre, la pression de formage 3 appliquée sur la pièce est sensiblement identique, rendant ainsi les pièces conformes. [0012] Selon un aspect de l'invention, le dispositif est configure pour déterminer la nouvelle consigne de tension de chauffage en calculant la médiane ou la moyenne des quantités d'énergie de chauffage préalablement estimées par le dispositif lors du ou des tirs précédents. [0013] La nouvelle consigne de tension de chauffage peut être déterminée à partir de la médiane ou de la moyenne des quantités d'énergie de chauffage préalablement estimées aux N dernières itérations. N étant un nombre entier naturel, de préférence impair et par exemple supérieur ou égal à 3. [0014] La consigne de tension de claquage peut être ajustée d'un tir à un autre, par exemple manuellement par un opérateur ou bien automatiquement en fonction d'une valeur cible à atteindre au fil des tirs. [0015] Selon une caractéristique dc l'invention, le dispositif comprend un module de mesure telle que, par exemple une sonde ou un capteur, configure pour mesurer la tension de claquage aux bornes des électrodes. [0016] Avantageusement, le module de contrôle est configure pour calculer la quantité d'énergie de chauffage à partir de la tension de claquage mesurée au dernier tir et de la consigne de tension de chauffage appliquée au dernier tir selon la formule suivante : [0017] [Math.1] C X (14 - ) Eluss - - 2 [0018] où E10 est la quantité d'énergie de chauffage, C correspond à la capacité du gé- nérateur dc tension, Vc est la consigne de tension de chauffage appliquée lors du dernier tir et VB est la tension dc claquage mesurée lors du dernier tir. [0019] Selon un aspect de l'invention, le module de contrôle est configure pour déterminer la nouvelle consigne dc tension de chauffage à appliquer entre les électrodes au prochain tir à partir de la valeur dc quantité d'énergie de chauffage estimée lors du dernier tir, ou de la médiane calculée le cas échéant, et dc la consigne de tension de claquage prédéfinie, par exemple manuellement par un opérateur ou automatiquement de manière à atteindre une valeur cible, selon la formule suivante : [0020] [Math.2] VC 2E,0 V 2 ) ' - _ 0 s [0021] où Vc est la nouvelle consigne de tension de chauffage calculée. E10 estla valeur de quantité d'énergie de chauffage déterminée lors du dernier tir et VB_CONS est la consigne de tension de claquage visée. [0022] De préférence, la durée de chauffage est comprise entre 5 ps et 500 ms. [0023] De préférence encore, la tension de claquage est comprise entre 1 et 40 kV. [0024] Selon une caractéristique de l'invention, suite au démarrage du dispositif, la valeur initiale de la consigne de tension de chauffage est déterminée à partir d'une quantité d'énergie de chauffage prédéterminée et d'une valeur de tension de claquage prédéterminée, par exemple stockées dans une zone mémoire du dispositif [0025] Dans une forme de réalisation, le générateur de tension comprend un module capacitif, relié à l'une des électrodes de r au moins une paire d'électrodes, comprenant par exemple un ou plusieurs condensateurs. [0026] L'invention concerne également un procédé de génération d'une décharge électrique dans un liquide à partir d'un dispositif de décharge électrique impulsionnelle tel que présenté précédemment, ledit procédé, mis en oeuvre par le module de contrôle, étant remarquable en ce qu'il comprend les étapes de : [0027] - commande du générateur de tension à partir d'une consigne de tension de chauffage prédéterminée afin que ledit générateur de tension applique une tension de chauffage entre les électrodes de ladite au moins une paire d'électrodes jusqu'à obtenir une décharge électrique impulsionnelle entre lesdites électrodes, [0028] - mesure de la tension aux homes des électrodes afin de déterminer la tension, dite « de claquage », à laquelle la décharge électrique impulsionnelle s'est produite, [0029] - estimation de la quantité d'énergie fournie au liquide pendant la durée de chauffage, dite « quantité d'énergie de chauffage », à partir de la consigne de tension de chauffage prédéterminée et de la tension de claquage mesurée, [0030] - détermination d'une nouvelle consigne de tension de chauffage à appliquer entre les électrodes de ladite au moins une paire d'électrodes à la prochaine décharge électrique impulsionnelle à partir de la quantité d'énergie de chauffage estimée et d'une consigne de tension de claquage prédéfinie. [0031] Selon un aspect de l'invention, le procédé est répété une pluralité de fois et la nouvelle consigne de tension de chauffage est déterminée à chaque itération à partir de la quantité d'énergie de chauffage estimée à l'itération précédente ou des quantités d'énergie de chauffage estimées aux itérations précédentes. [0032] De manière préférée, la nouvelle consigne de tension de chauffage est déterminée à partir de la médiane ou de la moyenne des quantités d'énergie de chauffage préalablement estimées aux itérations précédentes. [0033] La nouvelle consigne de tension de chauffage peut être déterminée à partir de la médiane ou de la moyenne des quantités d'énergie de chauffage préalablement estimées aux N dernières itérations, N étant un nombre entier naturel, par exemple supérieur ou égal à 3. [0034] De préférence, suite au démarrage du dispositif, le procédé est tout d'abord répété au moins dix fois afin de calibrer le dispositif pour permettre des tirs ultérieurs à des consignes précises, permettant notamment d'atteindre une valeur de tension de claquage cible. [0035] Avantageusement, la quantité d'énergie de chauffage est déterminée à partir de la tension de claquage mesurée au dernier tir et de la consigne de tension de chauffage prédéterminée appliquée au dernier tir selon la formule suivante : [0036] [Math.3] Elc,ss ,-.5xCex(07-1/-B) [0037] où E10' est la quantité d'énergie de chauffage, C correspond à la capacité du gé- nérateur de tension, Vc est la consigne de tension de chauffage appliquée lors du dernier tir et VB est la tension de claquage mesurée lors du dernier tir. [0038] Selon un aspect de l'invention, la nouvelle consigne de tension de chauffage à appliquer entre les électrodes au prochain tir est calculée à partir de la valeur de quantité d'énergie de chauffage estimée, ou de la médiane calculée le cas échéant, et de la consigne de tension de claquage prédéfinie, par exemple manuellement par un opérateur ou automatiquement de manière à atteindre une valeur cible, selon la formule suivante : [0039] [Math.4] 2E1 Vc oss _ V ,,_ v2 B _CON S) [0040] où Vc est la nouvelle consigne de tension de chauffage calculée, E10. est la valeur de quantité d'énergie de chauffage déterminée lors du dernier tir et Vg_coNs est la consigne de tension de claquage visée. [0041] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront lors de la des- cription qui suit faite en regard des figures annexées et données à titre d'exemples non limitatifs et dans lesquelles des références identiques sont données à des objets semblables. [0042] [fig.11 illustre schématiquement une forme de réalisation du dispositif de décharge électrique impulsionnelle selon l'invention. [0043] [fig.21 illustre schématiquement un mode de réalisation du procédé selon l'invention. [0044] Le dispositif selon l'invention permet de réaliser des décharges électriques impul- sionnelles dans un liquide, par exemple de l'eau ou du sang. Le dispositif selon l'invention peut. notamment être utilisé pour réaliser du formage électrohydraulique de pièces métalliques, pour réaliser de la prospection géophysique en générant des ondes sismiques, pour améliorer la production de puits de pétrole (stimulation) ou encore pour traiter des calculs rénaux par lithotripsie. [0045] On a représenté à la figure 1 une forme de réalisation du dispositif 1 selon 6 l'invention. Dans cette forme de réalisation, le dispositif 1 comprend une unique paire d'électrodes 10, un générateur de tension 20, un module de mesure 30 et un module de contrôle 40. On notera que dans une autre forme de réalisation, le dispositif 1 pourrait comprendre plus d'une paire d'électrodes 10. [0046] La paire d'électrodes 10 est configurée pour être immergée dans le liquide dans lequel on veut réaliser une série de décharges électriques impulsionnelles. Plus précisément, la paire d'électrodes 10 est configurée pour recevoir une tension appliquée entre les deux électrodes 10 par le générateur de tension 20 pendant une durée dite « de chauffage » afin de chauffer le liquide jusqu'à générer une décharge électrique impulsionnelle provoquant un arc électrique entre les deux électrodes 10. La tension pour laquelle la décharge électrique impulsionnelle se produit est appelée « tension de claquage ». L'électrode 10 qui est connectée à la borne positive du générateur de tension 20 est dite « de charge » tandis que l'électrode 10 qui est connectée à la borne négative du générateur de tension 20 est dite « de réception ». [0047] Lors d'un tir, les charges électriques se propagent depuis l'électrode 10 de charge vers l'électrode 10 de réception dans le volume de liquide et de gaz les séparant. Les électrodes 10 peuvent par exemple être de forme générale cylindrique creuse, symétrique de révolution. De préférence, les électrodes 10 sont alignées "bout à bout", c'est-à-dire agencées de sorte que leurs axes longitudinaux respectifs (non représentés) coïncident et qu'elles présentent des extrémités libres éloignées d'une distance fixe prédéterminée, par exemple comprise entre 1 et 50 min environ, préférentiellement entre 1 et 25 mm (l'augmentation de la distance entre les électrodes 10 permettant d'augmenter l'énergie déposée entre lesdites électrodes 10), et en regard l'une de l'autre selon la direction axiale (direction des axes de symétrie). Lors d'une décharge électrique impulsionnelle, l'arc électrique se produit entre ces extrémités libres, dont les faces extrêmes annulaires en regard sont sensiblement planes (dans des plans transversaux). [0048] Le générateur de tension 20 est configuré pour appliquer une tension de chauffage entre les électrodes 10 à partir d'une consigne de tension de chauffage Vc. prédéterminée fournie par le module de contrôle 40 jusqu'au déclenchement d'une décharge électrique impulsionnelle dans le liquide. La durée pendant laquelle la tension de chauffage Vc. est appliquée entre les électrodes 10 est appelée « durée de chauffage ». [0049] Le générateur de tension 20 peut se présenter sous la forme d'une pluralité de condensateurs ou d'un générateur de tension à courant constant. L'utilisation de plusieurs condensateurs permet de fournir une tension de l'ordre de quelques kilovolts en un temps très court, par exemple de l'ordre de 10 ms. [0050] Le module de mesure 30 permet de mesurer la tension de claquage à laquelle la décharge électrique impulsionnelle se produit lors d'un tir. Le module de mesure 30 7 peut par exemple se présenter sous la forme d'une sonde ou d'un capteur de mesure de tension. [0051] Le module de contrôle 40 est configure pour commander le générateur de tension 20 à partir d'une valeur de consigne dc tension dc chauffage prédéterminée afin que ledit générateur de tension 20 applique la tension correspondant à cette consigne entre les électrodes 10 pendant la durée de chauffage afin de provoquer une décharge électrique impulsionnelle entre lesdites électrodes 10. Plus précisément, le module de contrôle 40 est configure pour envoyer une consigne de tension de chauffage au générateur dc tension 20 de sorte qu'à réception de ladite consigne, le générateur dc tension 20 applique la valeur de tension correspondant à cette consigne entre les électrodes 10 afin de déclencher une décharge électrique impulsionnelle entre lesdites électrodes. De préférence, la durée de chauffage est comprise entre 5 ps et 500 ms et la tension de décharge est comprise entre 1 et 40 kV. [0052] Le module de contrôle 40 est configure pour collecter les mesures de tension réalisées par le module dc mesure 30 et pour estimer la quantité d'énergie fournie au liquide pendant la durée de chauffage, appelée « quantité d'énergie de chauffage » à partir dc la consigne de tension de chauffage Vc prédéterminée appliquée au dernier tir et de la valeur de tension de claquage Vs mesurée au dernier tir. [0053] Le module de contrôle 40 est configure pour déterminer une nouvelle consigne de tension de chauffage Vc à appliquer entre les électrodes 10 afin de réaliser la prochaine décharge électrique impulsionnelle. [0054] Le module de contrôle 40 est configure pour mesurer la tension aux bornes des électrodes afin de déterminer la tension de claquage Vs, pour laquelle la décharge électrique impulsionnelle se produit lors d'un tir. [0055] Le module de contrôle 40 est configure pour calculer la quantité d'énergie de chauffage Ein, à partir de la tension de claquage Vs mesurée et de la consigne de tension de chauffage Vc. prédéterminée, appliquée lors du dernier tir qu'il a commandé via le générateur de tension 20, selon la formule suivante : [0056] [Math.5] 1 2 Ehiss 2 X vc - [0057] où C est la valeur dc capacité des condensateurs du générateur dc tension 20. [0058] Au démarrage du dispositif 1, la consigne de tension de chauffage est déterminée à partir d'une quantité d'énergie de chauffage E1', initiale prédéterminée et d'une consigne de tension dc claquage VEsoNs predefinie permettant une décharge électrique impulsionnelle entre les électrodes 10. Une fois qu'au moins un tir a été effectué, la nouvelle consigne de tension de chauffage est déterminée à partir de la ou des dernières quantités d'énergie de chauffage E1,. calculées par ledit module de contrôle 8 40. [0059] De manière préférée, le dispositif est configure pour déterminer la nouvelle consigne de tension de chauffage Vc en calculant la médiane ou la moyenne de quantités d'énergie de chauffage E10, préalablement estimées. La nouvelle consigne de tension de chauffage peut être déterminée à partir de la médiane ou de la moyenne des quantités d'énergie de chauffage E" préalablement estimées aux N dernières itérations, N étant un nombre entier naturel, de préférence impair et par exemple supérieur ou égal à 3. De préférence, le module de contrôle 40 est configure pour recalculer la médiane ou la moyenne des quantités d'énergie de chauffage Elo, après chaque décharge électrique impulsionnelle. [0060] Le module de contrôle 40 peut par exemple comprendre un calculateur, un processeur ou un microcontrôleur afin de réaliser les différentes tâches susmentionnées. [0061] Un exemple de mise en oeuvre du dispositif 1 va maintenant être décrit en référence à la figure 2. [0062] Le module de contrôle 40 calcule tout d'abord dans une étape El une valeur de consigne de tension de chauffage Vc à appliquer pour déclencher le prochain tir à partir d'une valeur de quantité d'énergie de chauffage Eloo, et d'une valeur de tension de claquage VE selon la formule suivante : [0063] [Math.6] Eioss= x C x (Oc - vB2) [0064] Au démarrage du dispositif 1, la valeur de quantité d'énergie de chauffage prédé- terminée Elos, initiale et la valeur de la consigne de tension de claquage VB_coNs initiale, sont stockées dans une zone mémoire du modifie de contrôle 40 ou saisies manuellement par un opérateur. [0065] La consigne de tension de chauffage V,: est calcifiée par le module de contrôle 40 selon la formule suivante : [0066] [Math.7[ V, -42h tr Ti2 + oxs) [0067] Le module de contrôle 40 commande ensuite le générateur de tension 20 afin que ledit générateur de tension 20 applique, dans une étape E2, la consigne de tension de chauffage Vc, déterminée à l'étape El, entre les électrodes 10 jusqu'à obtenir une décharge électrique impulsionnelle entre lesdites électrodes 10 (TRIGGER). [0068] Lors de ce tir, le module de mesure 30 mesure, dans une étape E3, la tension de claquage VB aux bornes des électrodes 10 et envoie cette mesure au module de contrôle 40. 9 [0069] Le module de contrôle 40 calcule alors dans une étape E4 une estimation de la quantité d'énergie de chauffage Ek utilisée lors du dernier tir à partir de la tension de claquage V, mesurée à l'étape E3 et de la consigne de tension de chauffage Vc utilisée à l'étape E2 selon la formule suivante : [0070] [Math.8] = X G' X ( - 11-B [0071] où Vc est la consigne de tension de chauffage et VB est la valeur de tension de claquage mesurée à l'étape E3. [0072] De préférence, le module de contrôle 40 calcule alors dans une étape E5 (optionnelle) la médiane MEAN des quantités d'énergie de chauffage Eios. estimées aux tirs précédents, si elles sont disponibles. [0073] Le module de contrôle 40 détermine ensuite une nouvelle consigne de tension de chauffage Vc à appliquer entre les électrodes 10 au prochain tir en réitérant l'étape El à partir de la valeur de quantité d'énergie de chauffage Elos. estimée, ou de la médiane MEAN calculée le cas échéant, et de la consigne de tension de claquage V, cons prédéfinie, par exemple manuellement par un opérateur ou automatiquement de manière à atteindre une valeur de tension de claquage cible entre les électrodes d'un tir à l'autre, selon la formule suivante : [0074] [Math.9] 2E),,, V À C-V' c BCOS) [0075] où E10 est la valeur de quantité d'énergie de chauffage déterminée à l'étape E4 et VB est la consigne de tension de claquage visée. [0076] Le module de contrôle 40 recommence les étapes El à E4 (ou E5) afin de réaliser une série de décharges électriques impulsionnelles à énergie sensiblement constante. [0077] Suite au démarrage du dispositif 1, le procédé peut être mis en oeuvre plusieurs fois afin de calibrage le dispositif 1 et d'obtenir des consignes de tension de chauffage Vc précises pour les tirs suivants, qui peuvent alors servir en production, par exemple pour du formage électrohydraulique. [0078] L'invention permet donc avantageusement de définir des consignes de tension de chauffage précises et affinées afin de permettre une régularité des tirs en termes de tension de claquage. Il est à noter que la présente invention n'est pas limitée aux exemples décrits ci-dessus et est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art. [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3]