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~5~3~
CONDENSATEUR DE HAUTE TENSION
A HAUTE DENSITE D'ENE~GIE
La présente invention est le perfectionnement et l'extension du champ
d'applications d'un procedé initialement déposé dans la demande de
brevet allemand n~ 3.312.076. Cette demande décrit un type de
condensateur ayant une densite d'énergie supérieure à 0,5 Joule/cm et
pouvant atteindre 1,2 J/cm3, alors que d'après l'état de la technique
précédant ce brevet, une densité d'énergie de 1 J~cm3 n'avait jamais
été atteinte.
~ k
;
-
~ ~35~33~ 2
Le domaine entre 0,5 et 0,8 J/cm3 avait certes ~té atteint, maisexclusivement par des condensateurs utilisant un diélectriqueparticulier (fluorure de polyvinylidène, ayant le nom de marque
"K-Film"). Or, ces condensateurs au "K-Film" n'atteignent cette
densité d'énergie qu'au prix de pertes diélectriques tellement élevées
que ces condensateurs sont totalement exclus pour des applications où
le condensateur doit travailler de fa~on soutenue et à une certaine
fréquence. Ils sont donc restreints à des applications ayant une
fréquence de fonctionnement très réduite, telles que le défibrillateur
cardiaque. Ces condensateurs ont d'autre part, en raison de ce
diélectrique spécial, un prix au Joule 3 à 4 fois plus élevé que les
condensateurs ayant un diélectrique courant. Le type de condensateur
faisant l'objet de ce brevet allemand n'ayant pas les inconvénients du
"K-~ilm" il est donc seul a pouvoir être considéré pour une densité
d'énergie supérieure à 0,5 Jtcm dans la plupart des cas autres que le
défibrillateur cardiaque.
C'est ce fait qui a motivé la déposante à étendre le champ
d'applications de cette invention initiale et à la perfectionner. En
effet, la demande antérieure était limitée à un champ d'applications
identique ou proche de celui du défibrillateur cardiaque et la
déposante a maintenant adapté l'application de son condensateur aux
autres domaines que le défibrillateur cardiaque dans lesquels une
densité d'énergie de 0,5 à 1,2 J/cm n'était pas connue jusqu'à ce
jour. Une autre motivation de la déposante était le fait que les
densités d'énergies de 0,5 à 1,2 J/cm , qui avaient été obtenues
précédemment, n'avaient été atteintes que sur quelques pro-totypes et
il était par la suite impossible d'obtenir les mêmes valeurs sur de
nouvelles séries. L'objet de la présente invention consiste donc
également à définir les principes de base qui sont à l'origine de ces
densités d'énergies, de manière à pouvoir les reproduire de façon
fiable et même de les dépasser, pour atteindre des valeurs supérieures
à 2 Jtcm . En ce qui concerne les nouveaux domaines visés, ce sont
ceux d'un condensateur élementaire de haute tension et de haute
densité d'énergie ayant de très nombreuses applications telles
5~3S
que stockage d'énergie, décharge, commutation et filtrage ; il est du
type général comportant deux armatures conductrices séparées par au
moins une feuille de diélectrique, et ce condensateur élementaire est
caracterise selon la présente invention par le fait qu'à chaque
armature est associée au moins une feuille dlun premier dielectrique,
que chaque armature est constituee d'une metallisation ayant une
resistance par unite de surface de 2 à 30 Ohm, deposee sur un deuxième
dielectrique consistant en un support ayant une structure fibreuse,
favorisant la regenération, de telle manière que le condensateur soit
lO régénérant (auto-cicatrisant), que le condensateur est imprégné d'un
diélectrique liquide et que la nature et l'epaisseur de chacun des
diélectriques ainsi que le dielectrique liquide sont choisis de telle
manière qu'au moment où le condensateur es-t soumis à sa tension
nominale le rapport entre le champ électrique et la rigidite
dielectrique intrinsèque soit sensiblement egal pour chacun des
diélectriques. Cette caractérisation décrit les moyens de base mis en
oeuvre dans l'invention. Les performances qui peuvent être obtenues
grâce à ces moyens sont le mieux resumées par deux grandeurs : le
champ électrique moyen regnant dans le dielec-trique du condensateur
quand celui-ci travaille à sa tension nominale, ce champ est d'environ
200 V/ ~ m à plus de 400 V/ ~ m et la densité d'energie volumique du
condensateur à cette même tension, qui est de 0,5 J/cm à plus de 2
J/cm . Nous montrerons d'ailleurs plus loin que ces deux performances,
qui sont les plus marquantes d'un condensateur du type general visé
plus haut, sont liees.
Ce champ electrique eleve et cette haute densite d'energie sont
atteints grâce à deux facteurs préponderants ; ces deux facteurs, qui
se potentialisent mutuellement pour l'obtention des resultats donnes,
sont les suivants :
l. La faculte d'auto-cicatrisation
2. L'exploitation presque totale de la rigidité dielectrique de chacun
des dielectriques grâce à une repartition des champs electriques
proportionnellement à la rigidite de chacun des dielectriques.
~ 5~3-~ 4
Définition : Dans tout le texte nous entendons par "tension nominale"
("rated voltage") la tension d'utilisation maximale du condensateur. Elle
correspond à une utilisation normale, c'est à dire avec une marge de
sécurité suffisante, mais dans des applications où certaines contraintes,
autres que la tension elle-même, sont faibles ou moyennes. Ces
contraintes sont par exemple la fréquence de répétition si le
condensateur est utilisé en décharge, la température, ou d'autres
paramètres. Si certains de ces paramètres sont élevés, le condensateur
pourra travailler en "derating", à une tension d'utilisation
particulière, inférieure à la tension "nominale".
1. FACULTE D'AUTO-CICATRISATION :
L'auto-cicatrisation est la faculté de "guérir" un défaut d'isolement
quand il survient, par volatilisation de la métallisation dans la
région du claquage. On peut ainsi exploiter l'ensemble du diélectrique
placé entre les deux armatures jusqu'à un degré très élevé, puisque
les défauts qui apparaissent sont éliminés.
Cette faculté permet donc de se rapprocher de la limite d'isolement de
l'ensemble des diélectriques, quel que soit le niveau où cette limite
est située. C'est le rôle du second diélectrique et des
caractéristiques de métallisation d'assurer cette fonction
d'auto-cicatrisation.
En fait, le procédé d'auto-cicatrisation est connu depuis plusieures
décennies mais n'a jamais été utilisé dans les conditions stipulées
par la présente invention, et n'a donc jamais conduit aux mêmes
résultats. Ce procédé n'a en particulier jamais été utilisé à la fois
à des niveaux de tension, d'énergie, et de champ électrique où
l'invention le permet, car à certains de ces niveaux le phénomène ne
pouvait plus être contrôlé et entrainait la destruction du
condensateur.
Ce problème est parfaitement posé dans le Brevet Français N~ 7908375
dont nous citons ci-après les termes :
"I1 est connu que lors des contrôles en fin de fabrication ou de
l'utilisation de tels condensateurs, les défauts du diélectrique
donnent lieu à des décharges locales en forme d 7 arcs, oxydant ou
volatisant localement l'armature métallisée. Ces décharges sont utiles
car elles restaurent ainsi l'isolement normal. Ce processus est appelé
"cicatrisation".
~ S ~ ~ S 5
"Cependant, pour des condensateurs d'une certaine capacité, et des
tensions supérieures à quelques centaines de volts, l'énergie
disponible pour une de ces décharges locales est telle que le
condensateur peut être au moins localement détruit. Ce risque est
d'autant plus grand que l'énergie stockée dans un condensateur est
proportionnelle au carré de la tension, ce qui aggrave le danger de
destruction dans le cas des condensateurs à haute tension".
La solution à ce problème, proposée par le brevet N~ 7908375, est de
cloisonner l'armature métallisée en de nombreuses parties par des
lignes non conductrices, obtenues par faisceau laser, de manière à
limiter l'énergie appelée au moment d'une cicatrisation.
Les valeurs de tension, de champ, et d'énergie que permet d'atteindre
cette dernière solution sont 1500 V, 187 V/ ~ m (1500 V : 8 ~ m), et
112 J.
Mais la solution qui est proposée dans ce brevet a les inconvénients
suivants :
complexité pour la démétallisation par faisceau laser, perte de
capacité due à cette démétallisation, perte de capacité en
fonctionnement au moment où llun des créneaux métallisés est séparé.
D'autre part, les valeurs de tension, de champ et d'énergie obtenues
dans ce brevet sont bien inférieurs à celles de la présente invention,
dont les valeurs sont respectivement de 600 V à au moins 8 000 V, 200
V/ ~ m à plus de 400 V/ ~ m et jusqu'à 500 1 ou plus, pour un
condensateur élémentaire.
La solution donnée dans le présent brevet conduit donc à des résultats
beaucoup plus intéressants, tout en utilisant des moyens plus simples,
qui sont une métallisation ayant une résistance par unité de surface ~
de 2 à 30 Ohms déposée sur le second diélectrique consistant en un J
support ayant une structure fibreuse imprégnée. En d'autres termes
cette caractérisation, associée aux autres éléments de la présente
invention, est à la base d'une "maitrise" parfaite du phénomène de
cicatrisation, et cela même pour les valeurs extrèmes de tension, de
champ et d'énergies donnés plus haut. Cette maitrise peut être mise en
évidence par les constations suivantes :
- quand un condensateur conforme à l'invention est sujet à une cicatrisation, soit à cause d'une certaine durée de fonctionnement,
soit parce que sa tension nominale est dépassée, l'énergie dissipée
au moment de cette cicatrisation est toujours une tr3s faible
proportion de l'énergie totale du condensateur, par exemple 1%.
~5 Ainsi, un condensateur selon l'invention, chargé à 5000 V, va par
exemple voir baisser sa tension à environ 4980 V par suite d'une
cicatrisation. La faiblesse de la chute de tension et d'énergie au
moment de la cicatrisation est due au fait que le courant qui
circule vers l'endroit qui cicatrise est limité par la résistance
~0 par unité de surface relativement élevée de la couche métallisée.
L'épaisseur de métal étant d'autre part très réduite, la masse de
métal à volatiliser sera faible. Une caractéristique remarquable du
condensateur selon l'invention est que la tension du condensateur
n'a pas besoin de chuter pour arrêter le courant de cicatrisation t
~5 il s'arrête de lui même en raison de la résistance de surface et de
la finesse de la couche.
- une démonstration de l'excellente maitrise de la cicatrisation dans
un condensateur conforme à l'invention est l'expérience suivante:
on prend un bobinage de condensateur conforme à l'invention, et on
2~ perce plusieurs couches de diélectrique en enfonSant dans le
bobinage une aiguille sur une profondeur d'environ 1 mm,
perpendiculairement à son axe, puis on la retire. Par après, on
charge le condensateur. A la première charge il y aura quelques très
faibles crépitements (si le bobinage est à l'air) puis l'isolement
sera à nouveau définitivement rétabli.
~ 35~".5 7
2. EXPLOITATION DES DEUX DIELECTRIQUES DANS LA MEME PROPORTION
Cette deuxième partie de la caractérisation principale se
potentialise avec la faculté de cicatrisation, car alors que cette
dernière permet d'aller jusqu'à la limite de l'isolement, la
deuxième partie permet d'élever cette limite à des valeurs jamais
atteintes.
En effet, le fait de choisir les différents paramètres des
diélectriques de telle manière que le champ électrique dans chacun
soit dans un rapport constant par rapport à sa rigidité
diélectrique, permet d'exploiter les deux diélectriques à un même
degré, par exemple 80 %. Grace à ce procédé, l'ensemble du
diélectrique sera mieux exploité et on peut atteindre un champ
électrique moyen d'un niveau sans précédent.
Les valeurs du champ életrique moyen obtenus dans nos différentes
réalisations vont de 200 V/ ~ m à plus de 400 V/ ~ m. Or on
démontre facilement que pour un condensateur bobiné la densité
d'énergie volumique d est
d = O r E2
avec ~ = permittivite absolue du vide
e r = permittivité relative du diélectrique
E = champ électrique dans le diélectrique
d étant proportionnel à E il est clair que puisque l'invention
permet un champ électrique plus que double par rapport à l'état de
la technique (300 à 400 V,~ ~ m par rapport à 150 V/ ~ m), il en
résulte une densité d'énergie pour les condensateurs plus que 4
fois supérieure.
Un procédé préférentiel pour l'exploitation égale des deux films de
diélectrique consiste dans le fait de choisir les types de ces deux
diélectriques ainsi que le diélectrique liquide qui les imprègne de
s~s
telle manière que pour chacun des diélectriques imprégnés le
rapport entre sa resistance et son champ électrique maximal soit
sensiblement égalO La constance de ce rapport devant en particulier
être vérifiée au niveau élevé de champ électrique tel que le
prévoit l'invention. Il est bien entendu que les conditions
d'imprégnation (température, degré du vide, durée du traitement)
permettent d'agir sur ces différents paramètres. Un tel procédé
pour agir sur la répartition favorable des champs électriques dans
un diélectrique mixte n'est pas du tout connu et est même en
contradiction avec les lois électriques habituellement admises. En
effet, dans le cas d'un diélectrique mixte le champ élec-trique dans
chacun des deux diélectriques dépend de plusieurs paramètres de ces
diélectriques. Considérons la figure la.
Les deux diélectriques (1) et (2) ont la même surface, des
épaisseurs el et e2, des constantes diélectriques relatives ~ 1 et
~ 2' des résistivités rl et r2 et, si on charge le condensateur à
une tension U, il s'établit dans chacun des diélectriques des
champs El et E2 et il apparait sur chacun des diélectriques une
tension Ul = El el et U2 = E2 e2-
L'état de la technique admet universellement que dans le cas d'untel diélectrique mixte les champs E1, E2 et par conséquant les
tensions Ul, U2 sont fonctions des constantes diélectriques ~ 1 et
~ 2. On démontre que
( 1 ) 2 = 1 e2
Or, cette relation n'est vraie que pour un condensateur théorique
qui n'a pas de résistance de fuite. De telles résistances de fuite
Rl et R2 sont représentées sur la figure lb en parallèle sur des
condensateurs Cl et C2 qui symbolisent les deux diélectriques 1 et
2. Dans la plupart des applications pratiques la relation (1) est
vraie car R1 et R2 peuvent être considérés comme infinis. Si on
considère les condensateurs Cl et C2 en série et sans résistances
de fuite, on a
(2) 2 = Cl
~1 C2
~.2~ 5 9
L'hypothèse Rl et R2 infinis est justifiée dans pratiquement toutes
les applications de l'état de la technique, car tous les
condensateurs connus travaillent à champ électrique "faible"
(inférieur à 200 V/ ~ m). Dans ces conditions la résistivité du
diélectrique que l'on peut exprimer de fason conventionnelle en
Q .m mais aussi en M Q . ~ F représente pour un diélectrique comme
par exemple le polytéréphtalate d'éthylène une valeur de 50 000
M Q . ~ F. Cette ~aleur qui est donnée dans la littéra-ture pour un
champ de quelques Volts/ ~ m seulement, correspond à une constante
de temps de 50 000 secondes, c'est à dire de 14 heures. Comme le
temps de charge d'un condensateur est toujours nettement inférieur
à ce temps, la résistance d'isolement n'aura pas le temps de
modifier la répartition de tensions telle que exprimée par les
relations (l) et (2).
Dans les conditions de l'invention par contre, qui consistent en
particulier à se rapprocher le plus possible du champ limite permis
par les diélectriques, c'est à dire de leur rigidité intrinsèque,
les résistivités des diélectriques ne sont plus qu'une fraction de
celles données dans la littérature, et alors les résistances
d'isolement Rl et R2 ainsi que les constantes de temps Rl Cl et R2
C2 deviennent suffisamment faibles pour provoquer la répartition
des tensions selon la relation
(3) 2 2
Ul R
c'est à dire
25(4) 1 = 2
Rl R2
Si on se place dans le cas ou Ul et U2 ont attelnt leur valeur
maximale, très proche du claquage, on a
(5) Ul max U2 max
Rl R2
Q~5 lo
Soit, en faisant intervenir le champ maximum de chacun des
diélectriques E1 max et E2 max (rigidités diélectriques) ainsi que
leurs resistivites respectives rl et r2 et les épaisseurs des
diélectriques on obtient :
5 (6) 1 1 = 2 2
rl el r2 e2
soit
t7) El max E2 max
rl r2
Relation qui traduit en principe un procédé préférentiel de choix
des diélectriques et des conditions d'imprégnation prévu par
l'invention.
Mais il faut cependant remarquer que la relation (7) n'est valable
que sur un plan purement théorique. En effet, en pratique il vaut
mieux se limiter à l'utilisation des relations (3) ou (4) faisant
intervenir la résistance d'isolement totale d'une épaisseur de
couche donnee plutôt que sa résistivité. Car pour établir les
relations (6) et (7) on a posé les hypothèses Rl = r1 el et R2 = r2
e2 alors que notre expérience a montré que ces hypothèses ne sont
pas vérifiées pour des films de diélectriques minces et soumis à
des champs eleves. Nous avons constate que pour de tels films R
n'est pas une fonction lineaire de l'epaisseur, c'est à dire la
résistivité n'est pas une constante. Par exemple pour des films de
polyester de 3 à 5 ~ m la résistivité est bien plus faible que
pour une épaisseur de 8 à 12 ~ m. Ces resistivites étant bien
entendu toujours mesurées à champ élevé. Le choix des diélectriques
doit donc se faire selon la relation (4) et doit tenir compte des
épaisseurs de diélectrique particulières.
. ~ :
~5~35 11
Considérons (Fig. la) un ensemble constitué de deux diélectriques
dont l'un (1~ est solide et constitué d'une matière plastique
homogène et l'autre (2) est poreux et fibreux, le tou-t étant
imprégné d'une huile isolante.
Si on étudie ces diélectriques sur le plan de leur résistivité, on
peut admettre en première approximation que le diélectrique 2 se
comporte comme un reservoir d'huile et possède une grande partie
des caracteristiques de cette dernière, alors que le dielectrique 1
qui est solide a essentiellement les caracteristiques du materiau
qui le constitue.
Selon les connaissances de l'etat de la technique, quand un tel
dielectrique solide est utilise seul ou en combinaison avec un
autre et s'il est imprégné d'huile, on admet que cette dernière ne
sert qu'à renforcer les points faibles du diélectrique et à
ameliorer la rigidite diélectrique à ces endroits. On compte aussi
sur une diminution des effets corona en particulier au niveau des
bords et des arêtes. En ce qui concerne la resistivite d'un
dielectrique solide, on admettait toujours que c'etait une
caracteristique uniquement propre au materiau lui-même.
Dans le cadre des resultats de la presente invention par contre, et
en tout cas pour les champs eleves qui y sont prevus, le
dielectrique 1 a une resistivite qui n'est pas constante, mais qui
est d'abord proportionnelle à l'epaisseur de film qui a ete
choisie, et ensuite, pour une epaisseur donnee, cette résistivité
(ou la resistance dans le cas de cette epaisseur particulière) est
une fonction decroissante du champ electrique. Enfin, cette
resistivite n'est plus exclusivement liee au materiau, mais est
fortement fonction de l'huile qui l'imprègne. Cette decouverte a
ete faite par hasard :
Nous avons realise un premier condensateur selon l'invention, qui
avait une densite d'energie de 1,3 J/cm obtenue d'une fac~on
parfaitement fiable et reproductible. Ce condensateur etait
impregne d'huile silicone. Par la suite, nous avons fabrique un
deuxième condensateur exactement identique au premier, mais
imprégné d'huile de ric A
1 ~ 8 5 0 3 5 12
La tension de charge de ce 2e condensateur ne pouvait plu5
atteindre que 75 % de la tension du condensateur précédent et sa
densité d'énergie était donc réduite à 56 % de celle du ler
condensateur. Or, les caractéristiques d'isolement de l'huile de
ricin sont pratiquement aussi bonnes que celles de l'huile de
silicone. En calculant l'énergie contenue dans chacun des
diélectriques du ler condensateur, on a constaté que l'énergie
contenue dans le diélectrique 1 représentait environ 85 % de son
énergie totale. Le déficit d'énergie du 2~ condensateur devait donc
provenir au moins pour une grande part du diélectrique 1, puisque
ce condensateur avait perdu 44 % de son énergie totale. Ce déficit
d'énergie du 2e condensateur ne pouvait donc pas provenir
uniquement du diélectrique 2 que ce soit pour des raisons de
résistance ou pour des raisons de rigidité de ce diélectrique et de
son huile. Comme la rigidité diélectrique de l'huile du 2e
condensateur était aussi bonne que celle du ler, le déficit
d'énergie du diélectrique 1 ne pouvait avoir pour cause une
question de rigidité diélectrique, rnais uniquement une modification
de résistance et une mauvaise répartition des tensions par rapport
aux rigidités, comme l'enseigne l'invention.
Il fallait donc que l'huile joue un rôle dans la résistance et la
résistivité du diélectrique 1, ce qui à notre connaissance n'est
pas admis couramment pour un diélectrique solide. La preuve étant
là, nous avons émis l'explication suivante :
La raison probable est que les films de matière plastique minces
ont un certain nombre de micro-trous. Le nombre de ces trous par
unité de surface est inversement proportionnel à l'épaisseur. Au
dessus d'une certaine épaisseur, les films sont probablement
"étanches". Ces micro-trous sont assez fins pour ne pas entralner
un claquage du diélectrique. Ils sont distincts, d'une part, des
"cratères" du film qui sont des crevasses sur une profondeur
partielle du diélectrique mais qui sont plus larges et provoquent
le claquage à une certaine tension et , d'autre part~ des
"micro-cavités qui sont des cavités microscopiques, remplies d'air
ou d'huile, mais ne communiquant pas forcément entre elles. Les
micro-trous quant à eux, plus ou moins remplis d'huile
d'imprégnation, sont assez nombreux pour un film mince pour
5~5 13
que, sous champ élevé, leur présence en parallèle conduise à un
courant à travers l'huile dont ils sont remplis. Ce courant est dû
à des phénomènes d'ionisation, ou à des impuretés ou à l'humidité
résiduelle de l'huile. I1 se traduit par un abaissement virtuel de
la résistance d'isolement du film. Ce phénomène s'ajoute aux
courants de polarisation et d'ionisation du matériau lui-même, et
risque d'être confondu avec ces derniers. Mais dans nos conditions
l'existence d'un courant par micro-trous est obligée. C'est en
faisant varier les types d'huile et leurs conditions d'imprégnation
et en mesurant les résistances de fuite (à champ élevé) des
condensateurs réalisés que nous avons trouvé des variations de
résistance telles qu'elles ne pouvaient provenir que d'une
conduction à travers des passages mécaniques du diélectrique
remplis d'huile. Si le film plastique avait é-té étanche, l'huile
n'aurait pu avoir une telle influence.
Dans l'exemple du 2e condensateur décrit ci-dessus, le déficit
d'énergie était donc dû à un abaissement de la résistance Rl (Fig
lb) tel que le champ dans le diélectrique 1 a été très réduit par
suite de l'influence de la relation (3). Le champ dans le
diélectrique 2 s'est trouvé d'autant plus élevé et avait atteint sa
limite pour une tension très inférieure de ce condensateur par
rapport au premier. I.'abaissement excessif de Rl dans ce 2e
condensateur a été confirmé par des mesures d'auto décharge. Ces
mesures traduisent la résistance de fuite totale du condensateur,
dans laquelle Rl est comprise pour une part importante. On peut
aussi vérifier que l'auto-décharge concerne une part d'énergie qui
ne peut provenir que du diélectrique 1. L'expérience décrite montre
que la densité d'énergie du ler condensateur repose sur les
relations de résistances prévues par l'invention, qui dans le 2e
condensateur on êté détériorées en changeant l'imprégnant. Il est
d'ailleurs possible qu'une huile de ricin de nature différente, ou
ayant subi un autre traitement, puisse répondre aux conditions de
l'invention. D'autres types d'huiles, minérales ou organiques~ sont
également envisageables.
~35~335
14
Un effet remarquable dans les condensateurs selon l'invention est
le fait que le processus de répartition des tensions des deux
diélectriques en fonction des résistances d'isolement (ou de
fuites) ne débute qu'à partir d'un champ élevé, où précisément
cette bonne répartition est importante.
Lorsque la résistance d'isolement baisse pour l'un ou l'autre des
deux diélectriques au fur et à mesure que le champ électrique se
rapproche notablement ~par exemple 70 ou 80 %) du champ maximal, il
n'est pas certain que cette reduction de résistance d'isolement se
fasse dans les mêmes proportions pour chacun des diélectriques.
Dans certaines applications de l'invention, la rigidité
diélectrique ou champ électrique limite de chacun des
diélectriques, est exploitée à environ 80 %. Le fait que, dans ce
diélectrique, il n'appara~t que peu de claquages, montre que les
résistances d'isolement à ce champ electrique élevé se réduisent
dans des proportions qui sont en tout cas favorables à la bonne
répartition des champs électriques sur les deux dielectriques. La
réduction de resistance d'isolement à champ électrique élevé
s'effectue dejà au cours de la charge du condensateur. Lorsque le
champ électrique dans l'un des diélectriques se rapproche du champ
limite, alors la résistance d'isolement de ce diélectrique décroit
automatiquement, son champ électrique augmente moins vite, alors
que le champ de l'autre diélectrique va croître plus vite. On
comprend ce phénomène si on considère le schéma équivalent décrit
plus haut. Ainsi au cours d'une charge, la variation de résistance
d'isolement en fonction du champ a pour conséquence que dans chacun
des diélectriques le rapport entre le champ électrique effectif et
le champ électrique limite reste sensiblement le même, et assure
ainsi les conditions qui font l'objet de l'invention. Plus le champ
électrique se rapproche du champ limite, plus la résistance
d'isolement devient faible.
Cette auto-régulation ne fonctionne bien entendu que dans une
certaine plage. Si pour un diélectrique donné son champ limite est
atteint alors que le condensateur n'est qu'à une fraction de sa
tension maximale escomptee, alors le condensateur ne pourra pas
atteindre cette tension. Le remède consistera dans ce cas à mieux
choisir les resistances d'isolement Rl et R2.
~2~ 5 15
La diminu-tion de résistance d'isolement à champ électrique élevé a été
mise en évidence à l'aide du dispositif de mesure suivant : on a
réalisé un condensateur conforme à l'invention, constitué d'une couche
de papier métallisé et de deux couches de polyester (pour chaque
armature) et d'un diélectrique liquide consistant en huile de
silicone. Ce condensateur avait une capacité d'environ 20 ~ F. Entre
les bornes de ce condensateur fut branchée une résistance extérieure
de l Gigaohm(G Ohm). Le condensateur a été chargé à une tension
continue de 4280 V, et la décroissance de la tension dans le temps a
été enregistrée. La courbe de décharge ne mont.rait que de petites
déviations par rapport à la courbe theorique de décharge d'un
condensateur parfait (sans pertes) sur une résistance de 1 G ohm. On
en déduit que la rêsistance interne du condensateur à la tension de
4280 V est très supérieure .à 1 G ohm, de l'ordre de 100 Gohms. Dans
une même expérience le même condensateur a été chargé à 6000 V, ce qui
est sa tension nominale : après 38 minutes déjà, la tension était
tombée à 5000 V. Si on considère cette chute de tension comme étant le
résultat d'une résistance d'isolement constante, en parallèle sur la
résistance de 1 G ohm mais à l'intérieur du condensateur (Rl -~ R2),
elle a une valeur de 1,55 Gohms. En analysant la pente de la courbe de
décharge dans le voisinage immédiat de l'instant où la charge complète
était atteinte on a trouvé une pente extrèmement inférieure à celle
qu'aurait une exponentielle naturelle et on a pu en déduire une
constante de temps instantanée inférieure à une seconde à cet instant
particulier de la courbe. Cette constante de temps affaiblie exerce
déjà son influence à la fin de l'opération de charge et modifie déjà
favorablement les intensites de champ dans les diélectriques avant que
la charge ne soit terminée. A partir du début de la courbe de
décharge, la constante de temps, qui est alors très faible, commence à
croitre pour atteindre après un certain temps la valeur qu'elle a à la
fin de la courbe, qui est une exponentielle naturelle. Cette
croissance est tellement rapide que le condensateur atteint très vite
une résistance d'isolement élevée. Dès que l'équilibrage des tensions
Ul et U2 selon l'invention est terminé les fuites deviennent très
faibles.
~2~5~:~5
16
La résistance d'isolement ou la constante de temps, qui sont fortement
diminués au début de la courbe de décharge, indiquent la diminution
d'au moins une des deux résistances d'isolement des diélectriques mis
en série (R1, R2).
La forte diminution de la résistance d'isolement à l'approche de la
valeur du champ limite a encore l'effet suivant, qui est favorable
pour la durée de vie du condensateur : si l'on suppose que le
condensateur décrit est charge pour la première fois à une tension de
6000 V, chaque element de condensateur Cl, C2 correspondant à chaque
dielectrique 1 et 2 de la fig. lb, devrait accumuler la même charge Q
s'il n'y avait pas d'auto-décharge par les résistances d'isolement.
L'auto-décharge, qui en général n'est pas la même pour les deux
diélectriques, fait que l'un des deux éléments de condensateur C1 ou
C2 contiendra après un certain temps une charge plus pe-tite que
l'autre. Si maintenant on décharge tout le condensateur à l'extérieur
de facon à mesurer 0 V à ses bornes, les éléments de condensateur C1
et C2 ne seront pas complètement déchargés à cause de leur charge
différente avant la décharge : celui qui n'a pas eu de pertes internes
de charge, restera partiellement chargé avec la polarité initiale et
l'autre sera chargé avec une polarité inverse. Les tensions qui
restent aux bornes de ces eléments de condensateur sont suffisamment
petites pour que la resistance d'isolement puisse être considérée
comme infinie. Les élements C1 et C2 peuvent donc garder leur charge
sur une période longue, par exemple plusieurs semaines ou mois.
Si l'on recharge le condensateur, le courant de charge doit d'abord
décharger complètement l'element de condensateur dont la polarité a
été inversee, et ensuite le charger dans le sens du courant de charge;
si l'on amène une certaine charge au condensateur, cet élément de
condensateur prendra une charge plus petite que l'autre et par
conséquent une tension plus faible, et sera donc moins sollicité au
cours des charges suivantes.
~35~;3 5 17
Cet effet, théorique, et qui ne peut pas être saisi par des techniques
de mesure, a été mis en évidence par des expérimentations non pas avec
les diélectriques isolés qui forment le condensateur (parce qu'on ne
peut pas appliquer les intensités de champ en question aux
diélectriques isolés avec une surface assez grande, sans avoir des
claquages permanents), mais avec deux condensateurs entiers ~bobinages
de condensateur) de capacités différentes. Deux condensateurs, mis en
série, se sont comportés de la même façon que les diélectriques
individuels d'un seul condensateur, comme indiqué plus haut ; bien
entendu, ceci se passe seulement si l'on applique une tension assez
élevée pour que l'un des deux condensateurs atteigne sa valeur de
champ limite et présente beaucoup de pertes ou d'auto-cicatrisations.
Après une décharge et un court-circuit permanent du montage en série,
il a été mesuré que les deux condensateurs restaient chargés avec des
polarités inverses représentant environ 10 % de la tension atteinte
lors de la charge. Cet effet, qui a é-té observé sur un condensateur
réel, s'avère avantageux lorsqu'on branche de tels condensateurs en
série parce qu'il faut s'attendre à une répartition inégale de la
tension à cause des capacités inégale. Une différence momentanée entre
les tensions peut aussi apparaître lors de la charge.
De tels défauts par une mauvaise répartition de la tension
n'entraînent pas de défaut pour la mise en série de condensateurs
selon l'invention, d'abord parce que le condensateur n'est pas détruit
grâce à l'auto-cicatrication lorsqu'on atteint la valeur limite du
champ moyen (ou le champ limite d'un des diélectriques), et ensuite,
parce que après la décharge on est en présence d'une charge a polarité
inverse qui protège un condensateur contre une surcharge lors d'une
autre charge.
Le condensateur élémentaire selon l'invention est donc
particulièrement apte à la mise en série d'un grand nombre d'éléments,
et cette mise en série constitue une application préférentielle sur
laquelle nous reviendrons.
Les principes qui viennent d'être décrits ont été vérifiés
~ ~5~3.~ 18
systématiquement pour des condensateurs élementaires ayant des
tensions entre 2 KV et 20 KV, en prenant comme premier diélectrique du
polytéréphtalate d'éthylène et comme second diélectrique du papier
(métallisé). On s'est rendu compte que la densité d'énergie pouvant
être obtenue sur toute cette plage de tensions n'était pas uniforme.
La densité d'énergie donnée pour des conditions d'utilisation d'une
sévérité moyenne avait une valeur supérieure à 1 J/cm3 pour une
tension d'environ 5 a 8 KV (exemple : condensateur de 7 KVobtenu avec
du papier~ d'épaisseur 7 u m avec une métallisation de 5 à 10 Q par
unité de surface et du polytéréphtalate d'éthylène d'épaisseur 14
m, en deux couches de 7 ~ m, le tout imprégné d'huile silicone, le
champ électrique moyen étant de 333 V/ ~ m); densite d'énergie 1,6
J,cm3).
Pour les condensateurs élérnentaires entre environ 5 KV et 2 KV comme
entre environ 8 KV et 20 KV la densité d'energie pouvant être ob-tenue
décroissait progressivement de l J/cm3 jusqu'à des valeurs inférieures
ou égales à 0,5 J/cm . Les causes de cette décroissance etaient de
natures totalement différentes et nous ont conduits à d'autres
perfectionnements ou dispositions.
Entre 5 KV et 2 KV :
La réduction de la densité d'énergie était due à une limitation
technologique pour l'un des diélectriques utilisés.
Prenons le cas d'un condensateur devant avoir une tension nominale de
3 KV. Pour avoir une densité d'énergie de l'ordre de 1 J/cm il
faudrait travailler à un champ électrique de 300V/ ~ m (résultat
expérimental découlant de travaux précédents). L'épaisseur de
diélectrique devrait donc être de 3000/300 = 10 ~ m
5~ 9
Or, il est intuitif que pour tenir le meme champ moyen il faut à
peu près la même répartition d'épaisseurs en prenant les mêmes
diélectriques. Dans le cas du condensateur de 7 KV décrit plus haut
la proportion de l'épaisseur de papier par rapport à l'épaisseur
totale de diélectrique était de 6/20 soit 30 %. En appliquant
cette règle au condensateur 3 KV prévu il faudrait donc des
épaisseurs respectives de papier et de polytéréphtalate d'éthylène
de 3 ~ m et de 7 ~ m.
Or il n'existe pas de papier commercialement disponible ayant une
épaisseur inférieure à 6 ~ m. Nous avons donc été contraints de
prendre ce papier existant de 6 ~ m et de lui associer un
polytéréphtalate d'éthylène de 4 ~ m. La répartition défavorable
des diélectriques a fait que le condensateur ob-tenu, au lieu de
tenir une tension de 3 KV, n'a tenu en réalité que 2 KV et n'a
atteint qu'une densité d'énergie de 0,43 J/cm . Cette densité
d'énergie était encore tout à fait acceptable par rapport à l'état
de la technique, mais pour tendre vers les valeurs prévues par
l'invention la déposante a développé un papier d'épaisseur
'~ inférieure à 6 ~ m.
Une première technique pour fabriquer du papier d'épaisseur
inférieure à 6 ~ m consiste à partir du papier existant de 6 ~ m,
et à réduire son épaisseur par pressage ou calandrage. L'épaisseur
que l'on peut ainsi obtenir est d'environ 4 ~ m, ce qui permet déjà
d'améliorer fortement la densité d'énergie de condensateurs ayant
un diélectrique d'épaisseur to-tale de 8 à 12 ~ m (proportion du
papier l/3 à ~).
Selon une technique préférentielle de l'invention on effectue le
pressage en exposant le papier à une humidité relative de 20 ~~0 à 40
% et à une température de 60~C à 120~C. Il est avantageux
d'effectuer le pressage par des rouleaux entre lesquels passe le
papier existant comme matière de départ. Au lieu d'humecter le
papier par de l'eau, plus spécialement par de la vapeur d'eau, on
peut aussi l'humecter avec un vernis qui fixe la structure du
papier après le pressage ou avec un produit chimique, en
particulier un produit qui ramollit les fibres. On peut aussi
utiliser plusieurs de ces procédes à la fois.
~35(~35 20
A cause du jeu non négligeable des roulements des rouleaux, il est
difficile d'ajuster avec précision une fente extrêmement mince (par
exemple 4 ~ m) entre deux rouleaux, comme il serait nécessaire de
le faire pour ob-tenir l'épaisseur voulue. Pour résoudre ce problème
l'invention vise un dispositif qui comprend au moins deux rouleaux
cylindriques qui sont en contact étroit!dont l'un est entrainé~et
qui tournent en sens contraires. La circonférence de llun des
rouleaux a une découpe rectangulaire dont la largeur est au moins
égale à la largeur du papier et la profondeur est inférieure à
l'épaisseur du papier utilisé comme matière de départ. Ceci permet
un contact étroit des deux rouleaux en dehors de la découpe, et
llépaisseur nécessaire de la fente est garantie à l'endroit de la
découpe. Le procédé de pressage ou de laminage doit durer un
certain temps pour que la forme des fibres de cellulose naturelle,
qui constituent le papier, puisse se modifier par une sorte de
fluage.
Une variante de l'invention, basée sur le même principe, consiste à
humecter au moins une face de papier de conden~sateur du commerce,
qui a une épaisseur de 6 ~ m par exemple, avec un solvant ou un
plastificateur de cellulose et à presser le papier ensuite. On
emploie une quantité de solvant telle qu'au moins une partie de la
structure -fibreuse du papier de condensateur reste intacte. Comme
plastificateur, on peut utiliser du sulfure de carbone (CS2).
Avec certaines de ces techniques il est même envisageable d'obtenir
un papier inférieur à 4 ~ m, et pouvoir donc réaliser des
condensateurs selon l'invention avec une épaisseur totale de
diélectrique de 5 à 8 u m.
Une autre technique d'obtention de papier de très faible épaisseur
selon l'invention repose sur le fait qu'en détruisant la membrane
des fibres naturelles de cellulose, on peut obtenir les fibrilles
de cellulose qui sont à la fois plus minces et plus denses que les
fibres qu'elles constituent. La pâte à papier servant à la
fabrication habituelle du papier contient déjà lO % à 20 % de
telles fibrilles de cellulose. Ces fibrilles peuvent être extraites
de la pâte à papier, éventuellement diluée avec de l'eau, par dépôt
sous l'action de la force naturelle de gravitation ou par
centrifugation. Les fibres de cellulose plus épaisses se déposent
plus facilement que les fibrilles qui sont plus fines.
~ 350;~5 21
Si on fabrique du papier de condensateur à partir de ces fibrilles,
comme prévu dans une forme de réalisation, ce papier peut être
fabriqué avec une epaisseur inferieure à l'épaisseur du papier
-traditionnel, parce que les fibrilles de cellulose sont beaucoup
plus minces que les fibres et parce qulil en resulte une couche
extrêmement fine ; et ceci malgre une reticulation mécanique encore
suffisante entre les fibrilles qui se presente à la facon d'un
tissu. Au surplus ces fibrilles aplaties bénéficient d'un
accroîssement de densité de 50 % et d'une diminution correspondante
de porosité, ce qui est à l'origine de la possibilité
d~accrolsse~ent du champ electrique.
Les fibres de cellulose de conifere ont un diamètre en-tre 3 et
6 ~ m et une longueur d'environ 200 ~ m, alors que les fibrilles
correspondantes ont un diamètre d'environ 0,2 à 0,4 ~ m et une
longueur d'environ 3 à 4 ~ m. Par contre, les microfibrilles, sans
interêt, ont un diamètre beaucoup plus petit d'environ 0,06 ~ m à
0,08 ~ m.
Il est possible aussi d'obtenir de plus grandes quantites de
fibrilles de cellulose en traitant les fibres de cellulose avec des
ultrasons. La frequence des ultrasons devra se situer
preferentiellement entre 400 kHz et 600 kHz.
La membrane des fibres de cellulose peut aussi être detruite par
des produits chimiques pour obtenir les fibrilles. Ceci peut être
effectué par une solution d'hypochlorite dont le chlore, en se
degageant détruit la membrane.
Indépendamment de la motivation primaire de la déposante qui était
d'avoir une épaisseur de papier réduite permettant de respecter une
proportion optimale d'épaisseur par rapport au diélectrique associé
(polytéréphtalate d'éthylène), cette opération s'accompagne
d'autres effets favorables : les papiers de condensateur decrits
plus haut sont beaucoup moins epais que les papiers du commerce.
Comme ils sont obtenus à partir d'une epaisseur plus grande ou de
fibres plus petites, ils ont donc une densite plus elevee et ont
par consequent l'avantage de presenter moins de microcavites que le
papier normal ; il en resulte une rigidite dielectrique plus grande
que celle des papiers classiques.
22
L'utilisation de tels papiers selon l'invention rend le
condensateur plus petit, parce que le papier occupe moins de
volume, ce qui fait que la capacité volumique augmente d'une part,
et d'autre part, le papier peut être exposé à des intensités de
champ plus élevées que ne peuvent l'etre les papiers traditionnels,
ce qui permet d'augmenter la tension du condensateur et en
conséquence l'énergie emmagasinée par rapport aux condensateurs
traditionnels.
Un autre avantage présenté par ce nouveau papier est son aptitude à
une métallisation optimale. La métallisation des papiers
traditionnels présente souvent des pointes de métal qui pénètrent
profondément dans les porosités du papier malgré un dépôt de
vernis. Ces pointes de métal sont à l'origine de claquages. Le
nouveau papier ayant moins de porosités sera moins sujet à cette
pénétration. En ce qui concerne le procédé de métallisation, il a
également été perfectionné. Le procédé traditionnel consiste à
évaporer du métal, par exemple du zinc, essentiellement sous un
angle droit sur un ruban de papier. Un procédé nouveau de
métallisation du papier de condensateur proposé dans le cadre de la
présente invention, prévoit de déposer le métal sous Ull angle aigu
de moins de 75~, de préférence sous un angle entre 10~ et 45~, un
angle entre 25~ et 45~ étant encore préféré. Il est préférable que
la trajectoire des particules métalliques ait une composante dans
la direction de la trajectoire du papier, mais d'autres
orientations de la trajectoire des particules métalliques sont
possibles. La forme de réalisation mentionnée présente l'avantage
que les particules ne peuvent pas pénétrer profondément dans
d'éventuelles porosités du ruban de papier parce qu'elles
rencontrent le papier sous une direction oblique. Ce n'est
essentiellement que sur les parties surélevées du papier que le
métal est déposé. I1 en résulte une augmentation de la rigidité
diélectrique du papier et par conséquent une utilisation du
condensateur à une tension encore plus élevée.
~ ~5~;~5
~n dispositif pour effectuer la mé-tallisation du papier de
condensateur décrit plus haut est caractérisé par le fait que la
trajectoire des particules métalliques à déposer sur le papier est
telle que l'angle d'incidence des particules est aigu.
Grâce à ce nouveau papier ayant une épaisseur de 2,5 à 6 ~ m on
pourra donc réaliser avantageusement selon l'invention des
condensateurs entre 2 et 5 KV. Avec la version la plus mince du
papier ou avec des conditions d'imprégnation particulières on peut
même envisager des modèles entre 600 V et 2 KV.
Entre 8 KV et 20 KV
La baisse progressive de densité d'énergie constatée sur les
modèles entre 8 KV et 20 KV avait une autre cause que l'on appelle
communément l'effet d'arête. Des auteurs ont montré que le bord de
la couche métallique constituant l'armature crée à cet endroit dans
le diélectrique un champ électrique plus élevé que dans le reste de
la couche, ce qui entraine à cet endroit des claquements à des
tensions bien plus basses que dans les autres régions. Dans notre
cas ces claquements ne sont pas destructifs puisqu'ils se
traduisent par des cicatrisation, mais ils limitent tout de même
fortement la tension d'utilisation du condensateur. Différents
travaux ont montré que le rapport entre le champ de l'arête et le
champ homogène du diélectrique est une fontion de la racine carrée
de l'épaisseur du diélectrique. Cette relation a été également
vérifiée expérimentalement.
Ce fait entraine que les condensateurs conformes à la présente
invention ont par principe un effet d'arete qui apparait à une
tension beaucoup plus élevée que dans les condensateurs connus,
puisque pour une tension donnée nous travaillons à un champ plus
que double, donc avec une épaisseur de moitié. Ces condensateurs
selon l'invention permettent donc par leur principe même de monter
à des tensions doubles de celles des condensateurs connus avant
d'atteindre le niveau où apparait cet effet d'arête.
Grâce à ce fait, et en prévision de la constitution de batteries de
condensateurs en série, nous avons fixé la tension optimale de nos
condensateurs élémentaires à une valeur d'environ 5 à 8 KV pour
bénéficier de notre densité d'énergie maximale pour la batterie
350~35 24
totale. Il est bien entendu que nous n'excluons pas de faire des
condensateurs élémentaires de 8 à 20 KV, basés sur le principe de
ltinvention, soit avec une densité d'énergie inférieure à 1 J/cm ,
soit avec une densité d'énergie supérieure si nous associons à
l'invention un perfectionnement supplémentaire.
Un tel perfectionnement consiste en particulier, dans le cas où le
diélectrique 2 est constitué de plusieurs couches, à intercaler
entre deux telles couches une couche de diélectrique 1, mais non
métallisée. On pourra donc avoir par exemple pour chaque armature
la structure : diélectrique 2 (métallisé) - diélectrique
diélectrique 2 ~non métallisé) - diélectrique 1. La répartition des
champs électriques en fonction des rigidités diélectriques se fera
de la même manière pour un diélectrique 2 métallisé ou non, et
quelle que soit la disposition des différentes couches.
On peut aussi remarquer que le principe d'exploitation maximale
d'un diélectrique mixte conforme à la présente invention peut
également être appliqué dans le cas d'un condensateur non
cicatrisant, comportant des armatures épaisses ~par exemple
feuilles d'aluminium), au lieu des armatures métallisées.
Une application avantageuse du condensateur selon l'invention est
la constitution de batteries série et/ou série-parallèle. Comme
indiqué plus haut, de tels condensateurs élémentaires auront par
exemple des tensions de 5 à 8 KV si on recherche un maximum de
densité d'énergie. Le diamètre des bobinages élémentaires peut
25 varier entre 10 et 100 mm et la hauteur entre 20 et 100 mm. Une
forme très utilisée est par exemple un bobinage de diamètre 50 mm
et une hauteur de 80 mm. Cependant, pour une grande partie des
applications visées, le condensateur doit fournir à la décharge des
courants très importants. Or d'après certaines littératures ~par
exemple la revue Electronique de Puissance n~ 1, supplément au n~
724 du 9 septembre 1983, P. 69), les condensateurs à armature
métallisée sont èn principe exclus pour les courants très forts
(500 A à 50 000 A pour un condensateur élémentaire). Dans le cadre
de la présente invention par contre, nous avons été surpris de
constater que dans certains cas il était possible de delivrer de
façon répétée et sans dommage des courants de l'ordre de 10 000 A
avec les condensateurs selon l'invention. Celà est très étonnant si
~ 85~35 25
l'on considère la résistance par unité de surface élevée (par
exemple 7,5 Q des armatures. Pour expliquer ce fait nous avons
fait la remarque suivante : un condensateur est constitué de bandes
ayant une longueur déroulée L et une largeur h (qui correspond à la
hauteur du bobinage). On peut donc considérer le condensateur
déroulé comme constitué d'un nombre L/h de carrés branchés l'un
derrière l'autre, mais connectés en parallèle au niveau du
schoopage (métallisation des tranches latérales du bobinage)
lorsque le condensateur est enroulé. La résistance interne du
condensateur est donc inversement proportionnelle à ce rapport L/h
pour une résistance de film donnée. Or, comme dans les
condensateurs selon l'invention l'épaisseur du diélectrique est
très faible pour une tension donnée par rapport aux condensateurs
connus (facteur inférieur à 1/2), la longueur L sera donc plus que
double pour une section de bobinage donnée, par rapport aux
condensateurs connus. C'est pour cette raison que dans les
condensateurs selon l'invention, les rapports L/h sont
particulièrement élevés dans le domaine de tension visé (500 V à lO
OOO V) et qu'ils permettent des courants de crête de 5000 A à lOO
OOO A pour un condensateur élémentaire et présentent des
inductances très basses. Les rapports L/h les plus élevés et par
conséquent les courants les plus forts sont obtenus pour une forme
de condensateur plate, avec des diamètres de bobinage importants
(par exemple 70 mm) par rapport à la hauteur (par exemple 25 mm).
Ces forts courants sont d'autant plus exceptionnels que la
métallisation utilisée est très fine par exemple 7,5 Q par unité
de surface). Ce résultat repose sur le principe même des
condensateurs et sur leur géométrie. Cependant, pour reculer encore
le courant limite (ou augmenter la durée de vie), on peut renforcer
d'un facteur 2 à 5 (par exemple 1 à 3 Q par unité de surface) la
zone de bord de la métallisation, à l'endroit du schoopage, dans la
partie non active du condensateur ~marge de l'autre armature). Car
c'est dans cette région que la densité de courant est la plus
forte. Un autre avantage de la forme de bobinage plate évoquée plus
haut est la réalisation de condensateur haute tension par
empilement de tels éléments branchés en série, dans un tube.
~5~5 26
Pour mieux comprendre l'objet de l'invention, nous allons en
décrire maintenant, à titre d'exemple purement illustratif et non
limitatif, un mode de réalisation représenté sur les figures
annexées :
- La figure la est une représentation schématique d'un condensateur
à diélectrique mixte.
- La figure lb donne le schéma équivalent, conforme à l'invention,
du condensateur précédent.
- La figure 2 est un exemple de constitution des films du
condensateur selon l'invention.
- Les figures 3a et 3b donnent des formes de bobinage selon
l'invention.
- La figure 4 est la représentation schématique d'un dispositif
pour la métallisation de papier.
- La figure 5 est un dispositif pour presser le papier pour
condensateurs, représenté selon une vue de côté.
- La figure 6 est une coupe longitudinale selon la ligne VI-VI de
la figure 5.
La figure la donne la représentation schématique d'un condensateur
à diélectrique mixte. Les deux diélectriques 1 et 2 ont des
épaisseurs respectives el et e2 et sont compris entre deux
armatures 3 et 3' servant à charger le condensateur par exemple
avec les polarités respectives + et -, et à le décharger. Les deux
diélectriques 1 et 2 ont respectivement des permittivites relatives
~ 1 et e 2 et quand le condensateur est charge à sa tension
nominale U les champs electriques respectifs sont El et E2, et les
résistivités à ces champs sont rl et r2. Les tensions qui
apparaissent aux bornes des deux diélectriques sont Ul et U2.
La figure lb donne le schéma équivalent du condensateur de la
figure la. Ce schéma équivalent n'est nullement conventionnel, il
est caractéristique de l'invention et donne une méthode
~ 35{33.5 27
préférentielle d'exploitation des deux diélectriques dans la même
proportion, comme prévu par la revendication 1. Cette méthode
préférentielle prévue par la revendication 3, consiste à dire que
la répartition des tensions Ul et U2 aux bornes des condensateurs
Cl et C2, qui symbolisent les diélectriques 1 et 2, répond à la
relation
U2 R2
Ul Rl
lorsque les conditions de l'invention sont remplies, en particulier
à champ électrique éleve. Cette relation es-t largement développée
et justifiée dans le texte qui précède.
La figure 2 donne un exemple de réalisation d'un condensateur selon
l'invention. Elle montre deux nappes multicouches A et B qui sont
constituées exactement de la même manière. Chaque nappe multicouche
est constituée d'un papier 5 (5') qui correspond au diélectrique 2
de la figure la, pourvu d'une couche métallique 4 (4') réalisée en
- zinc et de feuilles en matière platique 6 et 7 (polytéréphtalate
d'éthylène) ou "MYLAR" qui correspondent au diélectrique l de la
figure la. Le papier 5 (5') avec sa couche métallisée 4 (4') est
appelé ici papier métallisé. La métallisation peut être de
n'importe quel côté du papier. C'est à dire elle peut également
être placée entre les couches 5(5') et 6(6'). Le papier 5(5')
lui-meme est du papier laqué. La couche de laque est en acétate de
cellulose, mais peut aussi être en acétobutyrate de cellulose. La
couche de laque assure une surface lisse, son epaisseur est
d'environ 0~5 micron. La couche de métallisation 4 ne va pas
jusqu'au bord droit du papier 5, mais atteint et dépasse le bord
gauche alors que la couche de métallisation 4' ne va pas jusqu'au
bord gauche du papier 5', mais atteint et dépasse le bord droit.
Les marges ainsi prévues de chaque côté sont de 4 mm. En plus les
deux nappes multicouches avec leurs métallisations respectives sont
~ 35~'~5 28
encore un peu décalées latéralement l'une par rapport à l'autre
(environ 1 mm). Ce décalage n'est pas représenté par le dessin. Les
papiers 5(5') et les feuilles en plastique 6(6') et 7(7') ont la
même largeur. Les faces latérales gauche et droite des nappes A et
B de la figure 2 obtenues lorsque le condensateur est bobiné, son-t
pourvues d'une couche métallique 8 et 9, obtenue par projection de
zinc (schoopage). Pour des courants très forts on peut en plus soit
étamer ces schoopages, soit projecter ou appliquer d'autres métaux
sur les couches de zinc 8, 9, ou à la place de ces couches.
Ces schoopages établissent le contact avec les métallisations 4
(4') et permettent de souder les fils de connection. Les couches de
métallisation 4 (4') ont une résistance par unité de surface de 7,5
Ohm et une épaisseur de 15 nm (nanomètres). Sous cette couche de
zinc se trouve une couche d'argent de 0,2 à 0,5 nm d'épaisseur. Le
papier sec a une résistance d'isolement spécifique correspondant à
environ 10 000 M Q.~ F (mesurée à faible champ électrique). Lorsque
ce papier est imprégné d'huile de silicone ce papier a une
résistance d'isolement spécifique correspondant à environ 15 000
M Q.~ F et une rigidité diélectrique d'environ 200 V/ ~ . La
résistance d'isolement spécifique du polyester est de 50 000 M Q x
F (valeur également mesurée à faible champ) et sa rigidité
diélectrique est d'environ 600 V/ ~ . Les couches de papier 5(5)'
et les deux couches de matière plastique 6(6') et 7(7') ont chacune
une épaisseur de 7 ~ m. La largeur des nappes visible sur la figure
2 est de 80 mm pour l'exemple en question. La longueur des nappes,
non visible sur la figure 2, est de lOO m. Lorsque l'ensemble de
ces nappes est bobiné jusqu'à un diamètre de 74 mm et le
condensateur schoopé et imprégné d'huile silicone, la capacité d'un
tel bobinage est de 22,5 ~ F. Le bobinage terminé (fig. 3a) est
fretté à l'aide d'un film de polyester auto-collant d'épaisseur
environ 70 ~ m, fortement tendu, destiné à empêcher l'enroulement
de se débobiner. Grâce à ce frettage, les spires les plus
extérieures seront bien maintenues et ne pourront pas se soulever.
Ceci est important pour que les énergies des cicatrisations se
produisant dans cette région restent aussi faibles qu'à l'intérieur
du bobinage. Les films sont bobines avec une force de tension de 20
à 25 N (Newton). La constante diélectrique du Polyteréphtalate
d'éthylène est de 3,2, la constante diélectrique du papier imprégné
du diélectrique liquide est de 4,8. L'ensemble du dielectrique
mixte ainsi constitué prend ainsi une constante diélectrique de
4,2.
~ 5~35
Ce condensateur élémentaire a une tension nominale de 7000 V et, par
suite de sa capacité de 22,5 ~ F, une énergie de 551 J. Son volume est
de 344 cm et sa densité d'énergie de 1,6 J/cm . Lorsqu'il est chargé
à 7000 V le champ électrique moyen dans le diélectrique est de 333
V/ ~ . Il a une valeur Lth de 1250 et supporte des courants de
décharge d'environ 20 000 A. Des échantillons de condensateur
élémentaires sont régulièrement prélevés de chaque lot de fabrication
et sont imprégnés pour subir des essais et vérifications. On mesure à
l'oscilloscope et à l'enregistreur leurs courbes de charge jusqu'à la
tension nominale de 7000 V et jusqu'à une tension d'essai de 7700 V.
S'il y a des cicatrisations elles doivent être faibles et disparaître
aux charges suivantes. Ensuite on enregistre la courbe d'auto-décharge
comme décrit plus haut et on la compare à des courbes de référence
d'un condensateur élémentaire étalon. On analyse la courbe de décharge
et on calcule les constantes de temps et résistances d'isolement à
divers points prédéterminés de la courbe, ainsi que le taux
d'exploitation de chacun des diélectriques. Dans le cas normal on
trouve par exemple 70 à 80 % pour chacun d'eux. Ces vérifications
permettent de surveiller et éventuellement de corriger la qualité des
diélectriques et surtout la qualité de l'huile et les conditions
d'imprégnation. En effet, avant de connaître les principes
d'exploitation égale des deux diélectriques et l'influence des
résistances d'isolement à champ élevé, comme exposé dans la présente
invention, il était impossible d'obtenir de façon reproductible et en
série des condensateurs atteignant le champ et la densité d'énergie
escomptés. Nous avions certes obtenu quelques prototypes uniques
atteignant de telles valeurs, mais par pur hasard, et il était
impossible de retrouver ces résultats jusqu'au moment de la découverte
des principes indiqués ici qui ont permis la maitrise systématique des
paramètres en cause. A titre indicatif, la température d'imprégnation
est de 100~ C, le vide de lO 2 à 10 mm Hg et la durée
d'imprégnation de 24 H à 48 H. Mais ces conditions sont
continuellement réadaptées et peuvent aussi varier d'un modèle à
l'autre.
3~
Les condensateurs dont la fabrication vient d'être décrite sont le
plus souvent destinés à être placés dans des boitiers, soit
individuellement, soit sous forme de batteries. Un exemple de batterie
consiste en deux bobinages du type décrit, branchés en parallèle, et
placés l'un au-dessus de l'autre dans un boitier en aluminium de
diamètre 75 mm et de hauteur 180 mm. Les bobinages peuvent être
imprégnés soit avant, soit après montage dans le boitier. Vne
technique préférée consiste à monter dans le boitier les bobinages,
non encore imprégnés mais pré-séchés, dans le boitier, à sertir le
couvercle, mais à laisser ouverts les trous de passage des fils au
niveau des bornes. Ces trous permettent le traitement. Les bobinages à
l'intérieur des boitiers sont ensuite séchés sous vide pendant env. 48
H puis imprégnés sous vide pendant env. 24 H. Le boitier se remplit
d'huile par la même occasion. ~ la fin de l'opéra-tion, après avoir
cassé le vide, mais sans sortir les condensateurs de leur bain, on
peut même effectuer la fermeture du trou de passage par soudure sous
l'huile.
Le condensateur obtenu a une capacité de 45 ~ F et une tension
nominale de 7000 V. Il trouve son utilisation par exemple en décharge
dans les lampes à éclats utilisées pour les lasers à solide ou dans
des appareils de photocopie. Si la fréquence de répétition des
décharges est inférieure ou égale à environ 1 Hz, le condensateur
pourra travailler à sa tension nominale ou légèrement en-dessous. Si
cette fréquence est supérieure, par exemple 20 à 30 Hz le condensateur
pourra être utilisé en "derating" à une tension de 2000 à 3000 V. Ce
même condensateur élémentaire peut également servir à la constitution
de batteries très haute tension et/ou très haute énergie, par montages
série etjou parallèle. Les tensions peuvent atteindre plusieurs
centaines de ~V, et plusieurs Megajoules. Certains modèles conviennent
pour le montage de générateurs de Marx.
3S(~3~; 31
Un 2~ exemple consiste en un condensateur élémentaire utilisant les
mêmes types et épaisseurs de diélectriques, mais au lieu de réaliser
un cylindre allongé comme précédemment (figure 3a) on réalise un
cylindre plat (fig 3b) en prenant des films de largeur 25 mm. La
hauteur du bobinage sera donc de 25 mm, le diamètre de 74 mm, le
volume de 107,5 cm3, la capacité de 4,5 ~ F, la tension nominale de
7000 V, l'énergie de 110 J, la densité d'énergie de 1 J/cm , et le
champ moyen de 333 V/ ~ m. La longueur des films est de 100 m et le
rapport L/h de 4000. Ce condensateur élémentaire permet de délivrer
des courants de 50 000 à 100 000 A. La densité d'énergie de ce modèle
est plus faible que celle du modèle précédent car la proportion de la
marge, qui se retranche deux fois de la largeur de la nappe, est plus
importante.
Le grand intérêt de ce modèle est son rapport L/h important, donc son
aptitude aux courants élevés, ainsi que sa faible hauteur. En effet,
ce condensateur élémentaire est destiné à constituer des batteries par
empilement de ces cy]indres plats dans un tube de diamètre 75 mm. On
aura ainsi un condensateur d'environ 50 KV avec 8 éléments empilés,
soit une hauteur de tube d'environ 200 mm. Un tel condensateur est
utilisable par exemple dans les lasers à gaz. Des modèles de lOO KV
sont également possibles qui ont entre autres une application pour les
générateurs de Marx. Mais comme la densité d'énergie avec une hauteur
de bobinage de 25 mm est plus faible à cause de la proportion de la
marge, nous avons aussi prévu des modèles de condensateurs
élémentaires avec des hauteurs entre 25 et 80 mm.
Un troisième exemple d'application consiste en un condensateur
élémentaire fait de la même façon que le premier (fig. 2 et 3a) mais
avec des épaisseurs de 6 ~ m pour les couches de papier 5 et 5' et de
5 ~ m pour chacune des couches 6,6' et 7,7'. Le diamètre du bobinage
est de 49 mm, le volume de 150 cm3, la capacité de 15 ~ F, la tension
nominale de 5000 V, l'énergie de 187 J, la densité d'énergie de 1,25
J/cm et le champ moyen de 312,5 V/ ~ m. La longueur des films est de
53 m, et le rapport L/h est de 662. Ce condensateur élémentaire permet
de délivrer des courants de 10 000 A. Il peut être monté en batterie
comme le premier modèle, dans un boitier de diamètre 50 mm et de
hauteur 180 mm. Le condensateur obtenu de 30 ~ F et 5000 V est utilisé
à sa tension nominale par exemple comme condensateur de dé~ibrillateur
cardiaque.
~ ~ ~ 5 ~ ~ 5 32
Pour d'autres applications telles que certains lasers à solide ou des
appareils de photocopie il pourra travailler soit a sa tension
nominale, soit a une tension inférieure selon les conditions de
fonctionnement. Les condensateurs élémentaires décrits peuvent aussi
être utilisés pour des batteries de très hautes tensionset énergies.
Un quatrième modèle utilise le nouveau papier métallisé de 4 ~ m
(4,5,4',5') et un seul film de polytéréphtalate d'éthylène à la place
des films 6,7,6',7', d'épaisseur 4 ~ m. Les nappes, d'une largeur de
80 mm, sont enroulées sur un mandrin de 3 mm en deux pièces, qui est
retiré après bobinage. Le diamètre est de 20 mm, le volume de 25 cm ,
la capacité de 12 ~ F, la tension de 3 KV et l'énergie de 54 J. Le
champ moyen est de 375 V/ ~ et la densité d'énergie de 2,15 J/cm .
C'est un condensateur pour défibrillateur implantable par exemple~
Etant donné que dans un tel appareil le condensateur est très peu
utilisé et ne reste chargé que pour un temps très bref, le
diélectrique peut être exploité au-delà de la limite que l'on adopte
pour les applications industrielles. On arrive ainsi à utiliser les
diélectriques à plus de 90 % de leur rigidité. Ainsi, ce modèle, dans
ces conditions, peut même dépasser le champ et la densité d'energie
indiqués.
Un cinquième et dernier exemple utilise le même diélectrique que le
4~, mais est bobiné jusqu'à un diamètre de 74 mm. Il a une capacité de
17Z ~ F et une tension nominale de 2,5 KV. Sa tension d'utilisation
peut varier entre 2 KV et 3 KV selon les conditions d'utilisation, ce
qui lui donne une densité d'énergie entre 1 et 2,25 J/cm . Les
applications sont diverses (laser, defibrillation, aérospatial, etc).
Dans le quatrième exemple on peut aussi remplacer le papier de 4 ,u m
par du papier à fibrilles de 2,5 ~ m et prendre des films de
polytéréphtalate d'éthylène de 2,5 ~ m à 4 ~ m. Avec des largeurs de
films de 40 à 80 mm et des diamètres de bobinage de 15 à 20 mm on peu-t
réaliser d'autres modèles pour défibrillateur implantable avec des
capacités de 10 à 30 ,u F et des densités d'énergie entre 2 et 3J/cm3.
En résumé, les mêmes ensembles de diélectriques peuvent être utilisés
à différents champs et densités d'énergies, selon les conditions de
fonctionnement et/ou la durée de vie recherchées :
~ ~35~ 33
150 à 300V/ ~ m et 0,4 à 1,2 J/cm pour des applications de filtrage
de commutation et de décharge, dans lesquelles la puissance moyenne
de fonctionnement ou les exigences de durée de vie sont élevées. Ces
modèles sont également utilisable en dessous de leur niveau
tderating) pour des conditions très sévères.
- 300 à 400 V/ ~ m et 1,2 à 2 J/cm pour des applications de filtrage
de commutation ou de décharge dans lesquelles les conditions sont
moins sévères (exemple défibrillateurs externes ou lasers à faible
fréquence de répétition).
- 400 à 500 V/ ~ m et 2 à 3 J/cm pour des applications à très faibles
taux d'utilisation. Exemple : défibrillateur implantable, 500 chocs
au maximum et décharge presque immédiate après la charge.
D'autres matériaux sont utilisables sans modifier les principes de
l'invention :
- d'autres métaux ou éléments sont possibles pour la métallisation :
aluminium, argent, or, paladium ou carbone amorphe pur ;
- d'autres diélectriques sont possibles à la place du diélectrique 1 :
polypropylène, polycarbonate, polysulfone, polystyrène, etc...
- d'autres structures fibreuses sont possibles à la place du
diélectrique 2 ;
- d'autres huiles d'imprégnation répondant aux critères de l'invention
sont possibles.
La figure 4 qui décrit le dispositif de métallisation du papier est
une représentation, qui n'est pas à l'échelle, d'une enceinte à vide
100 dans laquelle se trouvent une bobine de départ 102 de papier de
condensateur et une bobine 104 sur laquellele papier de condensateur
106 sera rembobiné. Le papier de condensateur 106 passe sur des
poulies de déviation 108, et dans la partie supérieure de l'enceinte à
vide 100, il passe devant un diaphragme 110, 112. Un raccordlO1 part
vers une pompe à vide. Dans l'enceinte à vide 100, se trouve un
creuset 116, dans lequel du zinc est chauffé jusqu'à l'évaporation.
~ 34
Les électrodes 120 et 122, qui sont raccordées à une tension négative,
empêchent un dépot de vapeur sur les rouleaux 102 et 104. L,a
trajectoire vers les rouleaux 102 et 104, que pourrait emprunter la
vapeur métallique sans les électrodes 120 et 122, est représentée par
des traits pointillés. Le logement d'une autre électrode 124, qui se
trouve à un potentiel positif, est prévu derrière le papier 106 à
l'endroit d'un évidement 126 dans le diaphragme 110, 112. L'évidement
126 est déplacé latéralement par rapport au creuset 116 de telle façon
que la vapeur métallique partant du creuset 116 ait un angle
d'incidence de 45~ sur le papier 106 à travers l'évidement 126. Si
cela s'avère nécessaire, cet angle peut être choisi autrement.
Dans l'exemple, la distance entre le creuset 116, qui est réalisé en
tantale, et le papier 106 à l'endroit de l'incidence de la vapeur
métallique derrière l'évidement 126 est de 30 cm. Suivant
lS l'application, cette distance peut se situer entre 15 cm et 30 cm. La
température du métal se situe entre 400~C et 800~ C. La vitesse
linéaire du papier se situe entre 2 m/min et 4 m/min. La di~ference de
potentiel entre le potentiel Uo du creuset et le potentiel U de
l'electrode 124, qui est positif par rapport à U , est de 400 V à 800
- 20 V. Les electrodes 120 et 122 se trouvent à un potentiel qui est
negatif de - lO0 V à - 200 V par rapport au creuset. La pression dans
l'enceinte à vide 100 est d'environ 10 torr à 10 torr. L'epaisseur
du depôt metallique sur le papier depend de la temperature du metal,
de l'angle d'incidence sur le papier, de la vitesse du papier, des
tensions, de la pression dans l'enceinte 100 et de la distance entre
le creuset et le papier.
Les fig. 5 et 6 montrent un dessin schematique d'un dispositif qui
comprend trois rouleaux métalliques 200, 202, 204 dont les axes se
trouvent dans le même plan. Le rouleau du milieu 200 est entraine et
transmet par friction le mouvement de rotation aux autres rouleaux.
La circonférence du rouleau du milieu 200 a une encoche 206 de 85 mm
de large et de 4 ~ m de profondeur. Un ruban 208 de papier de
condensateur du commerce épais de 6 ~ m part d'abord du rouleau de
départ 210 et passe sous une buse de vapeur 212, qui sert à humecter
le papier ;
3~
Ensuite il passe entre le rouleau supérieur 202 et le rouleau du
milieu 200 et ensuite entre le rouleau du milieu 200 et le rouleau
inférieur 204. Le ruban de papier passe uniquement dans l'encoche 206.
Le papier pressé est rembobiné sur le rouleau 214. A l'endroit du
rouleau du milieu 200, une deuxième buse 216 est prévue pour déposer
sur le papler de la vapeur d'eau, du vernis ou un autre produit,
suivant l'opération à effectuer. La buse 212 imprègne le papier d'une
humidité relative entre 25 % et 35 %. Les rouleaux 200 et 204 sont
portés à une température entre 80~ C et 110~ C par des lampes à quartz
à émission infra-rouge incorporées dans ces rouleaux. Mais d'autres
techniques de chauffage sont possibles. Les rouleaux 200 et 204 ont le
même diamètre de 30 cm. Le rouleau du milieu 200 tourne autour d'un
axe qui est solidaire d'un bâti 222, tandis que le rouleau supérieur
202 et le rouleau inférieur 204 peuvent être déplacés dans le sens de
la hauteur et sont pressés contre le rouleau 200 par des dispositifs
hydrauliques de pistons-cylindres 224. Les dispositifs 224 de
pistons-cylindres sont alimentés par une pompe hydraulique 226. Des
dispositifs de réglage permettent d'ajuster la pression, donc de
déterminer la force avec laquelle les rouleaux sont pressés l'un
contre l'autre. Dans l'exemple de réalisation, cette pression s'élève
à environ 1000 dN/cm jusqu'à 1500 dN/cm . Le papier est entrainé à
une vitesse de 8 m/min à 10 m/min. Le papier, qui sort du dispositif
de pressage, a une épaisseur de 4 ~ m à 4,2 ~ m. Un laminage sans
humidification, par la seule température et pression des rouleaux, est
également possible.
Le papier ainsi fabriqué a une densité de 1,4 g/cm a 1,5 g/cm
environ. Du papier, qui est fabriqué en employant exclusivement des
fibrilles, a la même densité. La rigidité dié]ectrique du papier
s'élève jusqu'à 400V/um (si le papier a été imbibé d'huile silicone).
Ce papier se prête particulièrement bien à la métallisation. Il est
d'ailleurs envisageable d'augmenter la résistance par unité de surface
prévue par la présente invention au-delà de 30 Q , soit en métallisant
du papier existant, soit en utilisant le nouveau papier et/ou les
nouvelles méthodes de métallisation décrites ci-dessus.
Notons enfin que les densités d'énergies volumiques données dans ce
texte en J/cm3 peuvent aussi être exprimées en densités d'énergies
pondérales. Les valeurs obtenues par les condensateurs selon
l'invention sont alors de 0,5 à 1 J/g, alors que les meilleures
valeurs trouvées dans l'état de la technique pour le domaine visé sont
- 40 de 0,1 à 0,2 J/g.
