module d’ingÉnierie

ou

Université du Québec à Chicoutimi

MODULE D’INGÉNIERIE

Génie électrique

6GIN333 – Projet de conception en ingénierie

Rapport d’étape

#Projet : 2011-275 Transformateur Tesla 10000 Volts

Préparé par

Dave Rousseau

Pour

ISSOUF FOFANA UQAC

12 décembre 2011

CONSEILLER : Danny Ouellet, Ing

COORDONNATEUR : Jacques Paradis, Ing

Dave Rousseau Projet de conception :

Approbation du plan de cours pour diffusion

Nom du conseiller Danny Ouellet

Date 2 décembre 2011

Signature ___________________________________


Remerciements

J’aimerais d’abord remercier mon promoteur Issouf Fofana pour son appui tout

au long de mon projet de conception. J’adresse un merci spécial à M Dany Ouellet pour

m’avoir aidé tout le long du projet. Il m’a permis de bien comprendre l’envergure du

projet et des dangers qui s’y rattachent. De plus, je voudrais remercier M. Richard

Martin ainsi que M. Denis Tremblay et M. Francis Deschenes pour leur appui

technique. Finalement, je tiens à remercier M. Jacques Paradis pour avoir assuré la

bonne coordination de mon projet.


Résumé

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Ob

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if M. Nicolas Tesla a cherché une solution pour transporter l’énergie électrique à l’aide

d’une bobine Tesla. Bien que son principe ne fût pas un succès, il a inventé un appareil des plus incroyables. En effet, le transformateur Tesla est connu de nos jours pour la beauté des arcs électriques qui jaillissent, mais aussi pour des essais de simulation de foudre dans les laboratoires de recherche. Dans le cadre du projet de conception, il fallait développer ce type de transformateur avec une tension crête au primaire de 10 000 Volts. Ce type de dispositif est très dangereux dû à sa puissance de sortie (environ 1kVA). Il faut donc prendre toutes les précautions nécessaires avant de mettre en fonction ce transformateur. Les objectifs sont de :

Concevoir une bobine Tesla de 10 000 Volts Construire cet appareil

Trouver une solution pour faire l’acquisition de la tension de du courant

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Tout d’abord, des recherches bibliographiques ont été effectuées sur le sujet afin de déterminer les composantes d’un transformateur Tesla. Par la suite, il fallait réfléchir à l’aspect de la sécurité. Puis, des calculs théoriques ont permis de dimensionner les composantes utilisées au niveau du prototype. Un outil graphique a été utilisé pour voir les courbes de tension et les formes d’onde au primaire et au secondaire. De ce fait, il a été possible de faire la conception sur papier du prototype. Finalement, il fallait construire le transformateur Tesla afin de pouvoir effectuer des tests et voir jaillir les arcs électriques.

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ns À première vue, les simulations qui ont été faites sur la fréquence de résonnance

permettaient d’appréhender des résultats concluants. La construction du transformateur a été effectuée et il a été testé dans les laboratoires d’Isolime. Les résultats obtenus sont fidèles à ceux espérés par la simulation graphique illustrée dans le rapport final. Ce projet a démontré qu’il est possible de concevoir ce type de transformateur en effectuant préalablement des calculs.


Table des matières

Résumé .......................................................................................................................................... 4

Table des figures ............................................................................................................................ 7

1.0 Introduction ......................................................................................................................... 8

1.1 Contexte .................................................................................................................... 9

2.0 Présentation du projet ....................................................................................................... 10

2.1 Description de l’équipe de travail ................................................................................ 10

2.2 Problématique et état de l’art reliés au projet ....................................................... 10

2.3 Objectifs généraux et spécification du projet ......................................................... 11

2.31 Objectifs généraux ..................................................................................... 11

2.32 Objectifs spécifiques .................................................................................. 12

3.0 Aspects techniques et éléments de conception relatifs au projet ........................................ 12

3.1 Brève description du transformateur ........................................................................... 12

3.1 Réalisation de la bobine secondaire ............................................................................. 15

3.2 Réalisation du tore ....................................................................................................... 18

3.3 Calcul relatif à la partie secondaire .............................................................................. 20

3.4 Réalisation du banc de condensateur .......................................................................... 26

3.5Réalisation de l’éclateur rotatif ..................................................................................... 28

3.6 Réalisation du bobinage primaire ................................................................................ 29

3.7 Réalisation de la charpente du transformateur ........................................................... 32

3.8 Transformateur haute tension (NST) ........................................................................... 32


3.9 Protection et sécurité du transformateur Tesla ........................................................... 33

3.10 Test de la fréquence de résonance ............................................................................ 34

3.11 Acquisition des ondes ................................................................................................. 36

4.0 Bilan des activités .................................................................................................................. 36

4.1 Arrimage formation pratique/universitaire ................................................................. 36

4.2 Travail d’équipe ............................................................................................................ 37

4.3 Respect de l’échéancier ................................................................................................ 37

4.4 Analyse et discussion .................................................................................................... 39

5.0. Conclusion et recommandation ........................................................................................... 40

Annexe-A Recherche bibliographique...................................................................................... 41

Annexe-B ..................................................................................................................................... 42


Table des figures Figure 1 Exemple de transformateur de Tesla .............................................................................. 8

Figure 2 Circuit de la bobine tesla ............................................................................................... 11

Figure 3 Circuit initiale ................................................................................................................. 13

Figure 4 Chargement des condensateurs .................................................................................... 13

Figure 5 Déchargement des condensateurs et éclateur rotatif en court-circuit ........................ 14

Figure 6 Création d'arc électrique au secondaire ....................................................................... 14

Figure 7 Résonance en quart d'onde........................................................................................... 15

Figure 8 Bobine secondaire ......................................................................................................... 16

Figure 9 Tore métallique ............................................................................................................. 19

Figure 10 Tore métallique final ................................................................................................... 20

Figure 11 Graphique de Q' en fonction de Fr [4]......................................................................... 23

Figure 12 Programme de simulation selon le calibre du fil [4] ................................................... 25

Figure 13 Oscillation du courant au primaire .............................................................................. 26

Figure 14 Banc de condensateur ................................................................................................. 27

Figure 15 Éclateur rotatif et éclateur de sécurité ....................................................................... 28

Figure 16 Type de bobinage primaire ......................................................................................... 30

Figure 17 Forme de l'inductance ................................................................................................. 30

Figure 18 Charpente de la bobine Tesla ...................................................................................... 32

Figure 19 Transformateur élévateur de tension et la varistance ................................................ 33

Figure 20 Fréquence de résonance expérimentale de la partie secondaire ............................... 34

Figure 21 Résultat de la partie primaire ...................................................................................... 35

Figure 22 Sonde de courant et sonde de haute tension ............................................................. 36

Figure 23 Mise à jour du diagramme de Gantt ........................................................................... 38

Figure 24 Test à effectuer............................................................................................................ 42


1.0 Introduction M. Nicolas Tesla était un ingénieur et un inventeur chevronné. Il est considéré

comme l’un des plus grands scientifiques de dans le domaine de la technologie. Il est le

détenteur de plus de 700 brevets. Il lui doit plusieurs inventions telles que le moteur

électrique asynchrone et ainsi que le principe du radar. Il s’est aussi intéressé à la

haute fréquence et c’est à partir de ses travaux qu’il a inventé le transformateur de

Tesla.

Figure 1 Exemple de transformateur de Tesla1

Voici une petite analogie qui permet de comparer le principe électrique au

principe mécanique. Lorsqu’une balançoire est poussée avec des impulsions faibles,

mais à intervalles réguliers (à sa fréquence d’oscillation), il est possible de voir une

augmentation de l’amplitude du mouvement. Elle va donc de plus en plus haut sans

toutefois changer sa fréquence d’oscillation. Ici, dans le cas de la bobine de Tesla, les

impulsions créées par l’homme sont remplacées par des impulsions électriques.

Il existe trois ordres de grandeur pour ce qui est ce type de bobine.

Petite bobine : 100 à 1000 kW avec limitation de courant

Moyenne bobine: 1 à 5 kW sans limitation de courant

Grosse bobine: 5 kW et plus sans limitation de courant

1 http://www.flickr.com/photos/tesla1000/98272227/


1.1 Contexte

Au début des années 1900, M. Nicolas Tesla cherchait une solution pour transporter

l’énergie électrique sans toutefois utiliser des câbles électriques. C’est avec un transformateur

à air sec qui avait une bobine primaire et une bobine secondaire qu’il a réussi l’impossible. En

effet, lorsque les bobines sont réglées sur la résonance en quart d’onde (voir figure 7),

cela permet de convertir à de hautes fréquences un courant élevé avec une tension

relativement faible, en courant faible avec une haute tension. M. Fofana, un

enseignant à l’Université du Québec à Chicoutimi m’a proposé de concevoir une

bobine de Tesla. De nos jours, ce type de bobine est souvent utilisé pour effectuer des

effets spéciaux dans plusieurs films. Elle est aussi utilisée dans les voitures pour

permettre de produire les étincelles aux bougies qui déclenchent l’explosion du

mélange du carburant.

Voici les étapes de la conception d’un résonateur Tesla qui seront décrites dans ce

rapport. Il s’agit d’une suite d’étape préalable les unes aux autres qui permettre d’assembler le

tout. Tout d’abord, il faut fixer une fréquence de résonance afin de pouvoir déterminer la

longueur d’un quart d’onde. À partir de ce moment, il est possible de dimensionner la bobine

secondaire. Ensuite, il y a un condensateur mis en série au bout de ce bobinage qui permet

d’atteindre la bonne fréquence de résonance et c’est de celui-ci que les arcs électriques

jaillissent. Puis, la conception de l’éclateur rotatif permet de dimensionner la batterie de

condensateur. Finalement, la bobine primaire peut être calculée afin d’atteindre la fréquence

de résonance.

Ce rapport fait aussi mention des tests effectués pour afficher la fréquence sur un

oscilloscope. Des essais effectués dans le laboratoire d’Isolime et des résultats obtenus. Il est

question aussi de l’aspect de sécurité du montage.


2.0 Présentation du projet

2.1 Description de l’équipe de travail

Ce projet de conception était composé d’un seul membre, c’est-à-dire M. Dave

Rousseau. Il étudie en génie électrique et il a complété sa quatrième année. Ayant

effectué deux stages chez Rio Tinto, Dave a acquis une expérience dans le milieu de

l’ingénierie qui lui a beaucoup aidé dans la résolution et l’approche du problème. Il a

aussi suivi les cours de l’ingénierie de haute tension qui était un atout important pour

la réalisation de son projet. M. Dany Ouellet agissait à titre de conseiller et d’orienteur

pour mener le projet a terme. Il a beaucoup aidé dans la réalisation d’un bon rapport.

Le promoteur, M. Issouf Fofana, est le promoteur du projet. Ces connaissances dans le

domaine de la haute tension ont été grandement utiles dans l’approche scientifique à

adopté sur un tel projet. Par ailleurs, certaines personnes ressources ont aidé dans

l’avancement du projet en cas de problèmes rencontres. M. Richard Martin était la

personne qui a aidé à assembler le tous.

2.2 Problématique et état de l’art reliés au projet

Le principe de la bobine Tesla est la résonance entre le primaire et le

secondaire. Même si cette résonance peut être aisément atteinte, un fonctionnement

parfaitement synergique de toutes les composantes reste difficile. Plusieurs bricoleurs

se lancent dans la fabrication de ce type de transformateur. Malheureusement, ils ne

savent pas nécessairement comment fonctionne une telle bobine. Il faut

préalablement faire plusieurs calculs avant de se commencer la conception. Un

concepteur qui réussit à obtenir la résonnance en quart d’onde parfaite pourra voir

jaillir les arcs électriques d’une longueur équivalente ou supérieure à la hauteur du

bobinage secondaire. L'art de la construction de ces installations implique des progrès


en paliers, en serrant de mieux en mieux l'harmonie des composantes et des

conditions des expériences.

Figure 2 Circuit de la bobine tesla2

Afin de bien cerner un tel projet, il faut effectuer une revue littéraire pour bien

assimiler la bobine Tesla. La lecture de plusieurs sites internet a permis de comprendre

les notions de base. Cependant, un ouvrage littéraire beaucoup plus développer a été

utilisé pour bien assimiler le design du transformateur. Pour voir la liste de la

recherche bibliographique, il faut voir l’annexe A.

2.3 Objectifs généraux et spécification du projet

2.31 Objectifs généraux

Il s'agit de faire la conception et le dimensionnement d'un transformateur de

Tesla de 10000 Volts. Tout au long de ce projet, il faut faire les calculs préliminaires de

conception de cet appareil. Il devra aussi contenir toutes les sécurités nécessaires afin

de pouvoir le tester. Ensuite, le prototype devra être construit et il faudra trouver une

solution pour afficher la forme de l'onde sur l'ordinateur via le logiciel d'acquisition

Labview. La protection de l'ordinateur est aussi à prévoir. Un nouvel objectif s’est

rajouté au cours de la préparation à la conception.

2 http://tesla.nicoinn.be/site/eucys_fr.pdf


2.32 Objectifs spécifiques

Tous les objectifs initiaux sont poursuivis. Cependant, il y a eu une modification au

sujet de l’acquisition de la tension et du courant avec le logiciel labview. Puisque le

résonateur fonctionne à haute tension, il n’est pas possible d’utiliser ce logiciel. Il

fallait donc trouver une nouvelle façon de faire l’acquisition.

Faire le dimensionnement des composantes du transformateur.

S’assurer que ce transformateur contient toutes les protections nécessaires

pour être sécuritaires.

Avoir une tension de sortie primaire de 10000 Volts.

Déterminer une méthode pour faire l’acquisition de la tension et du courant.

3.0 Aspects techniques et éléments de conception relatifs

au projet

3.1 Brève description du transformateur

Tout d’abord, avant de pouvoir commencer toute conception, il faut connaitre le fonctionnement de la bobine de Tesla.

Dans la plupart ces appareils, il y a un transformateur de haute tension (1KV à 15KV) de type NST (Neon Sign Transformer) qui augmente grandement la tension dans la bobine primaire. L’avantage des NST est sa limitation de l’intensité (quelque 100 mA). Le NST charge la batterie de condensateur au primaire jusqu’à sa capacité maximale (environ 10000 V). Une fois chargée, c’est l’éclateur rotatif mis en parallèle permet de créer un court-circuit. Alors, le condensateur qui agit comme un réservoir d’énergie se décharge dans la bobine primaire. Le circuit entre en résonance et cela induit un champ dans la bobine secondaire. La fréquence de résonance du primaire doit être égale à celle du secondaire pour optimiser la tension de sortie. Lorsque l’oscillation s’effectuer, des arcs électriques jaillissent du condensateur fixer au bout de la bobine secondaire. Une fois que l’électrode rotatif coupe le court-circuit, le circuit se recharge et ainsi de suite. Les quatre prochaines images résument bien le fonctionnement.


Figure 3 Circuit initiale

Figure 4 Chargement des condensateurs


Figure 5 Déchargement des condensateurs et éclateur rotatif en court-circuit

Figure 6 Création d'arc électrique au secondaire

Maintenant que le principe de ce transformateur est clair, il est maintenant possible de déterminer la liste des composantes qui englobe le projet de conception.

Transformateur haute tension (NST)

Réalisation du bobinage secondaire

Réalisation du tore métallique

Réalisation de l’éclateur rotatif


Réalisation du banc de condensateur

Réalisation du bobinage primaire

Réalisation de la charpente du transformateur

Aspect sécurité

Test de la fréquence de résonance au primaire et secondaire

3.1 Réalisation de la bobine secondaire

Avant de commencer la conception de la bobine secondaire, il faut définir le principe

de l’antenne quart d’onde. Une analogie avec la mécanique peut-être faire pour comprend le

principe de la résonance. En effet, en mécanique il suffit de l'illustrer de la façon suivante : tout

le monde a déjà poussé une balançoire, et chacun a pu constater que si l'on donne des

impulsions faibles à intervalles réguliers (fréquence d'oscillation de la balançoire), il en résulte

un accroissement de l'amplitude du mouvement de notre balançoire. Elle va de plus en plus

haut, mais sa fréquence d'oscillation reste la même. C’est la même chose pour le principe de

quart d’onde. La figure ici-bas monte une onde sinusoïdale qui permet de visualiser la forme

de celle-ci.

Figure 7 Résonance en quart d'onde

Avec la figure ci-haut, il est possible de voir que la valeur maximum se produit lorsque la

période est au quart. C’est à partir de cela que la bobine Tesla produit le plus grand arc

électrique.

Pour ce qui est de la conception de la bobine secondaire, il faut avoir un noyau

d’air. L’utilisation de ce noyau d’air est là pour isoler le primaire du secondaire. Il y a


donc moins de chance d’avoir du claquage. Il faut donc utiliser un tuyau de PVC d’un

certain diamètre et d’une certaine hauteur. Il est primordial de ne pas dépasser le

facteur 5 entre les deux. En effet, la hauteur du tuyau doit être 5 fois la mesure du

diamètre. Pour ce qui est de mon cas, la hauteur sera de 18 pouces avec un diamètre

de 4,25 pouces. Le bobinage du secondaire sera fait avec un fil émaillé de diamètre

0,325 mm de grosseur 28AWG. Une fois le bobinage réalisé, il faut protéger le filage

avec 2 ou 3 couches de vernis. Cela permet de diminuer les risques de claquage entre

le primaire et le secondaire qui peuvent survenir au cours du fonctionnement de la

bobine.

Figure 8 Bobine secondaire

Dans chacune des extrémités du tuyau PVC, il faut coller une bande métallique

afin de pouvoir faire les connexions futures. Cependant, il ne faut pas faire un tour

complet afin de ne pas faire une spire en court-circuit. L’électrode métallique discutée

ici-bas sera fixée à l’une des extrémités de la bobine.

Maintenant que la résonance est comprise, c’est cette caractéristique de la

bobine secondaire qui détermine la fréquence de résonance du transformateur de

tesla et la fréquence d’oscillation de la bobine primaire. Cependant, il faut évaluer

cette fréquence avant de commencer le projet. Si cette fréquence de résonance est

fixée ainsi que le diamètre de la bobine secondaire, les paramètres peuvent être


calculés. La bobine secondaire qui entre en résonance agit exactement comme une

antenne quart d’onde. Voici la formule à utiliser.*4+

Où

λ/4 est la longueur en quart d’onde

c est la vitesse de la lumière 300 000 000 m/s

f0 est la fréquence de résonance 175kHz

Le choix de la fréquence de 175 kHz est dû au facteur économique du projet. En effet,

plus la fréquence est petite, plus il faudra du fil émaillé pour construire la bobine.

Étant donné un budget restreint, le choix de cette fréquence a été pris en

considération.

Maintenant, il est possible de déterminer la longueur du fil émaillé par tour sur la

bobine secondaire.

Où

L/T est la longueur par tour de fil émaillé en cm

D est le diamètre de la bobine secondaire (4,25’’)

d est le diamètre du fil émaillé qui se trouve avec l’équation ici-bas


Avec les deux dernières valeurs calculées dans la section 3.1, le nombre de tour et la

hauteur de la bobine peuvent être trouvés à partir des équations suivantes :

Où

H est la hauteur de la bobine en cm

Δl est la distance entre les spires (facteur de sécurité)

Maintenant que les dimensions physiques du bobinage secondaire sont connues, les

caractéristiques électriques peuvent être déterminées. Premièrement, le calcul de

l’inductance est trouvé grave à la formule de Wheeler. Ici, il faut faire attention. En

effet, l’équation utilise les pouces et non les mètres.

Où

Ls est la valeur de la bobine secondaire en μH

A est le rayon du tuyau de PVC en pouce

N est le nombre de tour de bobinage

H est la hauteur de la bobine en pouce

Tout le bobinage a été réalisé à la main. Il aura fallu 4 heures afin d’avoir le résultat

illustré sur la figure 7.

3.2 Réalisation du tore La prochaine étape pour la conception du générateur de Tesla est le dimensionnement

du condensateur secondaire. Ce condensateur est celui qui permet aux arcs

électriques de s’échapper de l’extrémité de la partie secondaire. Il est construit d’un

tuyau de ventilateur en aluminium. Le diamètre (d2) du tuyau est de 4 pouces et son

diamètre (d1) extérieur est de 16 pouces. Il est collé sur une plaque de bois pour


obtenir un support mécanique. C’est sur ce tore que le bout de la bobine est raccordé.

Voici la façon de le calculer :

Figure 9 Tore métallique

Où

C est la capacité du tore au secondaire

CS est le diamètre d2 de la figure 9

Od est le diamètre d1 de la figure 9


Figure 10 Tore métallique final

3.3 Calcul relatif à la partie secondaire Voici la façon de déterminer les résistances en AC et en DC. Ce sont les

résistances du bobinage secondaire.

Où

DCΩ est la résistance totale lorsque le circuit est en courant continu en ohm

NS est le nombre de couches de bobinage

λ/4 est la longueur de l’antenne quart d’onde en pied

TA est la température ambiante

Ω/ft est la résistance du fil par pied

Voici la résistance lorsque le circuit est en courant alternatif. Elle n’est utile que pour

l’effet de peau.

Où

ACΩ est la résistance totale lorsque le circuit est en courant alternatif en ohm

d est le diamètre du fil émaillé en pouce


La bobine crée un condensateur aussi. La valeur en picofarads se trouve de la façon

suivante :

Où

Cs est la capacitance du bobinage secondaire

Fo est la fréquence de résonance

Ls est l’inductance de la bobine

La vraie fréquence de résonance n’est pas 250Khz puisqu’il y a des pertes ainsi que des

résistances parasitent dans le circuit. Il faut aussi tenir compte de la capacité terminale

qui s’estime à 21,7 pF.

La dernière résistance sera utilisée pour déterminer l’effet de peau. Cet effet est en

lien avec la fréquence de résonance. Voici la profondeur de la pénétration du courant

de celle-ci :

Où

Dδ est la profondeur de pénétration du courant

Fo est la fréquence de résonance


Le prochain calcul contient le facteur du cuivre par rapport au nombre de couches.

Où

FL est le facteur multiplicatif pour le ratio Q’

D est le diamètre du fil émaillé en pouce

N est le nombre de tour

NS est le nombre de couches de cuivre

le est la hauteur de la bobine secondaire en pouce

Afin de pouvoir trouver la résistance totale du circuit, il faut savoir le ratio suivant.

Où

Q’ est le ratio qui associe le diamètre du fil à l’effet de proximité

d le diamètre du fil du fil émaillé

FL est le facteur multiplicatif

Dδ est l’effet de proximité

De tous les sous équations, il est temps de déterminer la résistance totale du circuit

secondaire. Pour savoir la valeur de Fr, il faut regarder dans le graphique suivant :


Figure 11 Graphique de Q' en fonction de Fr [4]

Où

Rt est la résistance totale du circuit du à la résistance DC, l’effet de peau et

l’effet de proximité

Fr est la valeur de Rac/Rdc trouvé à partir du graphique et du Q’

Rdc est la résistance en courant continu

La dernière valeur importante est le facteur de qualité du bobinage secondaire. Elle se

trouve de la façon suivante :

Si ce facteur de qualité se rapproche de l’infini, l’oscillation aura lieu indéfiniment. Il

faut donc qu’il y ait un effet d’amortissement pour que le circuit se décharge en

oscillation. Cet amortissement se calcul de la façon suivante:


L’impédance du circuit secondaire peut être trouvée puisque toutes les impédances

sont connues.

Maintenant, il faut déterminer la puissance au primaire ainsi que la tension qui devrait

être lu par la sonde.

Où

Vs est la tension secondaire

Vp est la tension primaire

Zp est l’impédance primaire

Zs est l’impédance secondaire


Figure 12 Programme de simulation selon le calibre du fil [4]

Avec la tension de sortie, il est possible de prévoir la longueur des arcs électriques. En effet,

dans l’air, le tension de claquage est d’environ 30 kV/cm.

101,0 KV

0

1

10

100

1 000

10 000

100 000

10 15 20 25 30 35 40 45

Ten

sio

n d

e s

ort

ie s

eco

nd

air

e

AWG

CHART 1: Voltage du secondaire selon la grosseur du câble utilisé


Voici le graphique de la simulation de l’oscillation.

Figure 13 Oscillation du courant au primaire

3.4 Réalisation du banc de condensateur Pour ce qui est de la conception du banc de condensateur, il a été déterminé en

fonction du matériel que l’UQAC dispose. En effet, il est plus facile d’adapter l’éclateur

rotatif que d’acheter des condensateurs haute tension au prix de 30 ou 40$. Il y a deux

formules importantes, qui faut retenir au sujet du montage en série ou en parallèle.

Parallèle:

-80,0

-60,0

-40,0

-20,0

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

-25 000

-20 000

-15 000

-10 000

-5 000

0

5 000

10 000

15 000

20 000

25 000

0 100 200 300 400 500

Co

ura

nt

au

pri

ma

ire e

n a

mp

ère

Vo

ltag

e a

u p

rim

air

e

Temps en micro secondes

Oscillation au primaire


Série:

Les condensateurs haute tension, qui étaient à la disposition, étaient des 1200 Volts

1μF.

Il faut donc 9 condensateurs séries afin d’avoir la bonne tension. Le facteur de sécurité

se détermine comme suit :

Ce 8 % de facteur de sécurité étant donné que la tension de 10kV est de crête. En plus,

ce son des condensateurs capable de prendre des surtensions de 150% la valeur

nominale. Ensuite, il faut déterminer la valeur du banc de condensateur.

Figure 14 Banc de condensateur


Il faut vérifier la puissance dissipée par le condensateur afin de voir s’ils vont chauffer.

Cependant, avec la limitation du courant, il ne devrait pas avoir de problème.

Où

Irms est le courant nominal du transformateur

ESR est la résistance du condensateur (voir référence 12)

Pd est la puissance dissipée

3.5Réalisation de l’éclateur rotatif L’éclateur rotatif est l’une des composantes les plus importantes parce qu’elle

permet aux condensateurs et à la bobine de rentrer en oscillation. Il est composé d’un

moteur et d’une roue munie de six électrodes en acier. Ces électrodes ont été en

pointe afin de faciliter le court-circuit. Pour ce qui est de la roue, elle est faite d’un

moyeu en acier qui permet de le fixer sur l’arbre du moteur. Afin d’empêcher la mise à

la terre du moteur, une deuxième partie en plexiglas est assemblée avec le moyeu

métallique. Cela permet d’isoler le moteur des électrodes. Le diamètre du centre de

l’arbre aux électrodes est de 3 pouces.

Figure 15 Éclateur rotatif et éclateur de sécurité


Un moteur DC a été utilisé pour faire tourner la roue. C’est la vitesse de rotation qui

permet de contrôler la décharge du banc de condensateur. Comme ce banc est déjà

fixé, voici la méthode pour déterminer la vitesse de rotation du moteur :

Où

Vr est la vitesse de rotation

C est la circonférence

RPM est la vitesse de rotation du moteur

Cp est le banc de condensateur

Afin de pouvoir régler la vitesse adéquatement, un tachymètre a été utilisé.

Comme le moteur a une vitesse de rotation de 1750 RPM, il y avait un

problème. La solution à apporter est un gradateur qui sert à contrôler

l’intensité de la lumière. Avec cet appareil et l’appareil de mesure de la vitesse,

l’ajustement a été fait à la vitesse préalablement calculée.

3.6 Réalisation du bobinage primaire Le bobinage primaire est très important dans la conception du résonateur de

Tesla. Dans la plupart des cas, il ne compte pas plus d’une 50 de tour. Il est conçu avec

un câble dénudé de son isolation. Plusieurs personnes utilisent un tuyau de cuivre avec

un diamètre d’environ 6 mm. Dans le cadre de ce projet, un câble de grosseur AWG de

14 avec un diamètre de 1,628 mm. Sous un tout autre ordre d’idée, il faut aussi faire le

choix de la configuration de câblage. Il existe trois façons de faire le bobinage du

primaire. Voici les montages :


Figure 16 Type de bobinage primaire

Le type de bobinage ‘’Inverse Conicale Coil Inductance’’ sera celui utilisé. En

effet, la grande majorité des concepteurs de bobine l’utilise. Elle sera construite avec

un angle de 30 degrés.

Figure 17 Forme de l'inductance


Il existe une formule pour calculer le tout l’inductance.

Où

Lp est l’inductance de la bobine en microhenrys (μH)

N est le nombre de tours

A est le rayon moyen de la bobine en pouce

W est la largeur de la bobine en pouce

représente l’angle de montée en degré

Avec les valeurs du condensateur et de l’inductance, il est possible de connaître la

valeur de la résonnance au primaire.


3.7 Réalisation de la charpente du transformateur

Pour ce qui est de la conception de la charpente du transformateur, il a été construit

avec du bois recycler. Il est seulement là pour le support mécanique. Voici une photo du

transformateur.

Figure 18 Charpente de la bobine Tesla

3.8 Transformateur haute tension (NST)

L’utilisation d’un transformateur NST a été utilisée. En effet, il fallait augmenter la

tension au primaire afin d’avoir une bonne tension de sortie au secondaire. Ce transformateur

avec une puissance de 1 kW et il était limité en courant (60 mA). Cependant, ce transformateur

avait une tension de sortie de 12kV. Il a donc fallu trouver une solution pour diminuer cette

tension. Alors, le transformateur a été connecté avec une varistance. Cet appareil permet de

limiter la tension de sortie. Elle est fabriquée avec une roulette ajustable avec une échelle en

pourcentage. Une simple règle de trois permettait d’ajuster la tension de 10 kV crête

maximum.


Figure 19 Transformateur élévateur de tension et la varistance

3.9 Protection et sécurité du transformateur Tesla

Afin de pouvoir bien tester la bobine Tesla, il faillait s’assurer de la sécurité du

concept. La première chose qui a été installée est un rail par foudre. Ce rail est relié à

la masse et il est là pour dévier les arcs électriques qui pourraient détruire les

composantes du système. Ensuite, il y a un éclateur de secours qui est là pour protéger

si jamais le moteur arrête de fonctionner. C’est cette partie qui va provoquer le

claquage et éviter que les condensateurs brisent. Finalement, les tests ont été faits

dans une cage de faraday. Il y avait un boulon sur le montage qui permettait de tout

relier à la masse de la cage.


3.10 Test de la fréquence de résonance

Pour ce qui est de la bobine secondaire, un générateur de fréquence a été

branché sur la partie secondaire. Ensuite, un pulse carré permettait de créer le même

effet qu’on coup de marteau sur un morceau de fer. En effet, le pulse électrique crée

de l’oscillation et il est possible de voir la fréquence sur l’oscilloscope. La fréquence

calculée 175 kHz et la fréquence expérimentale 172,4 kHz étaient presque la même.

Figure 20 Fréquence de résonance expérimentale de la partie secondaire

Pourcentage d’erreur avec la conception :


Ensuite, il fallait aussi tester la partie secondaire. Le générateur était encore

connecté au circuit. Cependant, une antenne permettait l’acquisition de la fréquence

de résonance. Lorsque le circuit entre en résonance, l’amplitude chute et c’est cette

valeur qui est la bonne. La fréquence calculée kHz et la fréquence

expérimentale 172,4 kHz étaient presque la même. Voir annexe B pour le schéma de

branchement.

Figure 21 Résultat de la partie primaire

Pourcentage d’erreur de la fréquence de résonance au primaire :


3.11 Acquisition des ondes

L’un des objectifs du projet était de faire l’acquisition de la tension et du

courant sur le logiciel Labview. Cependant, cela était impossible. Pour faire

l’acquisition de la tension, il aurait fallu un diviseur de tension. L’inconvénient était que

le courant est limité. Alors, la puissance qui est déjà faible se serait perdue dans le

diviseur. Pour ce qui est du courant, il existe aussi un type de sonde qui fonctionne

pour les courants de crête élevés. Elle se vend au coût de 1580$ [13] pour la sonde de

courant et 2145$ pour la sonde haute tension.

Figure 22 Sonde de courant et sonde de haute tension

4.0 Bilan des activités

4.1 Arrimage formation pratique/universitaire

Au cours de ce projet de conception, les membres de l’équipe ont utilisé des

connaissances acquises durant le long de son BAC. En effet, les connaissances de base

acquises dans des cours tels qu’en électronique de puissance, en électrotechnique 1 et

2, en dynamique des systèmes 1 ont servi à une bonne compréhension. Ensuite, les

cours de ligne et onde électrique, d’électromagnétisme et de l’ingénierie de haute

tension permettaient de mieux comprendre les principes de fonctionnement du

résonateur. Le cours d’introduction au projet d’ingénierie a aussi permis de mieux

visualiser les étapes de conception d’un tel projet. Il y a aussi eu mes stages chez Rio

Tinto qui m’a appris a bien gérer mon budget et de trouver des solutions de rechange

qui permettre d’économiser.


4.2 Travail d’équipe

Dans la conception de ce projet, il n’y avait pas de travail d’équipe. En effet, M.

Dave Rousseau était le seul concepteur. Il a réalisé tout l’assemblage seul. Cependant,

il y a eu une collaboration avec M. Richard Martin afin d’avoir un point de vue

technique sur certaines choses.

4.3 Respect de l’échéancier

Le projet de conception en ingénierie s’est fait sur une seule session. Les

tableaux suivants montrent l’échéancier ainsi que le diagramme de Gantt pour la

session d’automne 2011.

Nom % Début Description de la tâche

T1 100% 08-29 Préparation du projet (définir le projet avec M. Fofana)

T2 100% 09-03 Recherche bibliographique sur les composantes d’un transformateur de Tesla (bobine, condensateur alimentation, fréquence de résonnance, électrode, etc.)

T3 100% 09-09 Recherche bibliographique les systèmes de protection d’un transformateur de Tesla

T4 100% 09-12 Calculs préalables pour les composantes (bobine, condensateur alimentation, fréquence de résonnance, etc.)

T5 100% 10-07 Recherche des pièces et estimation des coûts.

T6 100% 10-28 Bobinage du transformateur de tesla (4 jours si c’est moi qui le bobine ou 1 à 2 semaines si c’est une compagnie spécialisée)

T7 100% 11-22 Montage et amélioration du transformateur (comprends des expérimentations)

T8 100% 11-21 Acquisition sur le logiciel Labview (modification pour déterminer une solution)

T9 100% 12-05 Dernier correctif avant la présentation du transformateur


Figure 23 Mise à jour du diagramme de Gantt


La recherche bibliographique a été plus longue que prévu. Il a fallu remettre

certaines tâches à plus tard afin d’être sure des composantes de la bobine. En effet,

c’est un appareil qui est dispendieux à construire et le budget est seulement de 250 $.

Quelques erreurs de conception ont retardé le projet de 2 ou 3 semaines. En effet,

l’approche d’un éclateur de type thyristor était un mauvais choix. Puisque la tension

est très élevée, il faut utiliser un thyristor de puissance capable de prendre de la haute

tension. Cependant, ils sont dispendieux. Il y a aussi eu une erreur dans la conception

de l’éclateur rotatif. Le premier modèle a été machiné était une roue en acier. Le

problème était que cette roue est couplée avec l’arbre métallique du moteur. Cet

éclateur rotatif devait être fait avec un isolant comme le plexiglas afin de ne pas créer

un court-circuit avec le moteur. Un délai supplémentaire a retardé la conception de ma

bobine secondaire. La compagnie où le fils émaillé a été commandé n’avait plus la

grosseur de fil nécessaire. Alors, les calculs de conception ont dû être refaits avant de

commander la bonne grosseur de fil émaillé. Pour ce qui est des tests à effectuer, ils

ont été complétés dans les délais.

4.4 Analyse et discussion

Le prototype a été développé avec succès. Il a donc été possible d’aller

effectuer des tests dans la cage de faraday des nouveaux locaux d’Isolime. Les résultats

ressemblaient grandement à ceux attendus dans les calculs préliminaires. En effet, à la

fin de ces calculs, la tension de sortie au secondaire devait être d’environ 100 kV et

créer des arcs électriques d’environ 2 à 3 pouces de long. Il y a aussi eu les tests qui

ont déterminé les valeurs de la fréquence de résonance des circuits primaire et

secondaire. Ceux-ci étaient pareils avec une erreur de 1,5% pour la partie secondaire

et de 0,73% pour la partie primaire. Les arcs électriques qui devaient jaillir du tore

métallique auraient dû être d’environ 1,5 à 2 pouces de long. Bien que les résultats

soient concluants, quelque erreur de cheminement. En effet, la conception de

l’éclateur a été plus longue que prévu. En effet, la première roue était complètement

fabriquée en acier alors que les électrodes devaient être isolées. Les points forts du

projet sont la ressemblasse en les calculs théoriques et ceux pratiques. Il y a aussi

l’optimisation avait de minimiser les coûts de conception (137$ [annexe-C]. Le point

faible est que le projet avait partie avec les mauvaises équations pour la conception. Il

y avait une différence entre un transformateur à moyeu d’air et à moyeu métallique.

Le retard a dû être rattrapé pendant la mi-session.


5.0. Conclusion et recommandation

Le projet de conception fût terminé pour la date butoir. Le prototype de la bobine

Tesla a été construit au complet. Il y avait bel et bien une tension de 10 kV à la sortie du

bobinage primaire. Le seul objectif qui n’a pas été complété avec succès est l’acquisition sur le

logiciel Labview. En effet, cet objectif n’a pu être fait du aux contraintes monétaires.

Cependant, une solution a été apportée au problème. La simple acquisition d’une sonde haute

tension va permettre de mieux tester les prototypes. Ce projet a permis que surmonter les

difficultés et de trouver les solutions idéales. La conception du transformateur s’est effectuée

seule et cela a appris au concepteur que le travail d’équipe en ingénierie est préférable.

Si dans le futur il y a une autre personne qui voudrait construire ce type de bobine

Tesla, il serait préférable d’augmenter la puissance du transformateur élévateur de tension au

primaire. En effet, la limitation du courant dans la partie primaire a réduit grandement les arcs

électriques qui jaillissaient du tore métallique. Une autre chose qui devra changer est la

conception de la charpente de bois du résonateur. Le bois était humide et il y avait de la colle

aussi. Cela pouvait créer des courts-circuits et de la perte de puissance. Cette solution a été

utilisée pour des raisons économiques. La meilleure solution serait de prendre du plexiglas qui

matériau. Le plexiglas est un excellent isolateur et du coup, il n’y aurait aucune perte. Une

autre recommandation, qui serait importante à faire, serait l’acquisition d’une sonde à haute

tension qui prouverait hors de tout doute la fonctionnalité de la bobine. Cette sonde, dont le

coût est d’environ 2000$, permet de visualiser la forme d’onde sur un oscilloscope.

Finalement, la conception de l’éclateur devra être améliorée. L’effet de pointe qui devait se

produire à chaque tour n’était pas parfait. Bien que les arcs jaillissaient pareil, il serait

préférable d’avoir un court-circuit à chaque fois que les deux électrodes sont près les uns des

autres. Le problème était que la roue a été machinée avec une petite déviation. Il faudrait

donc faire fabrique la roue de l’éclateur avec une calibration afin qu’il y est claquage à chaque

fois que les électrodes sont alignées.


Annexe-A Recherche bibliographique

1. FOFANA, Issouf. Ingénierie de la haute tension 6mig930, Chicoutimi, DSA, 2011,

312 p.

2. WENTWORTH, M. Stuart, Applied electromagnetic early transmission lines

approach, USA, John Wiley & Sons, 2007, 656 p.

3. OUHROUCHE, Mohand, Circuits électriques, méthodes d’analyse et applications,

Chicoutimi, Presses internationales Polytechnique.340 p.

4. TILBURY, Mitch, The ultimate Tesla coil design and construction guide, USA, Mc

Graw Hill.413 p.

5. ESKENAZI, David, PAULUS, Antoine, INNOCENTI, Nicolas,(Page consultée le 2 septembre 2011) la bobine Tesla artisanale [en ligne]. Adresse URL: http://tesla.nicoinn.be/site/eucys_fr.pdf.

6. HULL, Richard, (Page consultée le 5 septembre 2011), le transformateur de Tesla, [en ligne]. Adresse URL: http://knol.google.com/k/le-transformateur-de-tesla#.

7. François, Jérôme, (Page consultée le 8 septembre 2011), Résonateur Tesla France, [en ligne]. Adresse URL: http://www.teslacoil-france.net/.

8. MARTY, Loic, (Page consultée le 8 septembre 2011), le transformateur de Tesla, [en ligne]. Adresse URL: http://www.f5ubz.fr/tesla/tesla_II.htm.

9. WIKIPÉDIA, (Page consultée le 9 septembre 2011), Bobine Tesla, [en ligne]. Adresse URL: http://fr.wikipedia.org/wiki/Bobine_Tesla.

10. GORE, Jerry, (Page consultée le 19 septembre 2011) Javascript Tesla coil calculator page [en ligne]. Adresse URL: http://www.classictesla.com/java/calculat.html.

11. INCONNU, (Page consultée le 20 septembre 2011) formula page, [en ligne]. Adresse URL: http://teslacoils4christ.org/TCFormulas/TCFormulas.htm.

12. Digikey,http://www.cde.com/catalogs/940C.pdf 13. Valuetronics, https://www.valuetronics.com/detail/New-tektronix-a6302.cfm

http://tesla.nicoinn.be/site/eucys_fr.pdf

http://knol.google.com/k/le-transformateur-de-tesla

http://knol.google.com/k/le-transformateur-de-tesla

http://www.teslacoil-france.net/

http://www.f5ubz.fr/tesla/tesla_II.htm

http://fr.wikipedia.org/wiki/Bobine_Tesla

http://www.classictesla.com/java/calculat.html

http://teslacoils4christ.org/TCFormulas/TCFormulas.htm


Annexe-B

Figure 24 Test à effectuer

Annexe-C Coût du projet

module d’ingÉnierie

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