Ouverture d'un circuit inductif

Les inductances s'opposant à la variation du courant qui les traverse, l'ouverture d'un circuit inductif parcouru par un courant peut amener des surtensions.



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Électrotechnique - Génie énergétique

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Les inductances s'opposant à la variation du courant qui les traverse, l'ouverture d'un circuit inductif parcouru par un courant peut amener des surtensions [1].

Figure 1 - L'alimentation charge l'inducteur à travers la résistance.

Dans le diagramme ci-contre (figure 1) une bobine qui se charge à travers une résistance et un interrupteur est représentée. Le condensateur dessiné en pointillés représente la valeur équivalente des capacités parasites entre spires de la bobine[2].

Figure 2 - L'interrupteur s'ouvre. Le courant ne peut circuler qu'en chargeant la capacité parasite.

À un instant l'interrupteur s'ouvre. En regardant la définition de l'inductance :

u=-L{di\over dt}\,

On voit que pour que le courant qui traverse la bobine s'interrompe instantanément, il faudrait la naissance d'une tension illimitée à ses limites, ce qui est impossible. Le courant continue à circuler à travers les capacités parasites (figure 2).

Figure 3 - À l'instant l'interrupteur s'ouvre et laisse l'inductance osciller avec les capacités parasites.

Nous nous retrouvons avec un circuit LC oscillant avec une pulsation :

\textstyle{\omega = {1\over \sqrt{LC}}}

soit une fréquence :

f_0 = {\omega\over 2\pi} = {1\over {2\pi\sqrt{LC}}}

où est la valeur équivalente des capacités parasites. Si l'isolation électrique et la rigidité électrique du bobinage est suffisante pour résister aux hautes tensions et si la tension de tenue de l'interrupteur est suffisante, l'oscillation continuera avec une amplitude décroissante à cause des pertes diélectriques des capacités parasites et de pertes résistives du bobinage. Si, qui plus est , la bobine comporte un noyau ferromagnétique il y aura aussi des pertes dues à l'hystérésis (proportionnelles à la fréquence) et des pertes par courants de Foucault (proportionnelles au carré de la fréquence).

La tension maximale de l'oscillation peut être particulièrement élevée, comme illustré sur la figure 3 qui montre le cas extrême où le courant est interrompu tandis qu'il a son amplitude maximale. Ceci lui vaut le nom de surtension. Cela vient du fait qu'après l'interruption du courant l'énergie de l'inductance a été transférée aux capacités parasites.

La surtension maximale peut être calculée à partir de l'égalité :, étant la valeur du courant à l'instant de coupure.

Vmax = I_o\sqrt{L \over C}

À courant donné, la surtension est d'autant plus élevée que l'inductance est plus grande et que la capacité est plus faible.

Figure 4 - Réamorçage de l'interrupteur

Si la surtension est particulièrement élevée, la tension aux limites de l'interrupteur peut dépasser sa tension de tenue entre contacts, il se produit alors un réamorçage (appelé aussi ré-allumage, car l'arc est ré-allumé entre les contacts de l'interrupteur) comme illustré sur la figure 4.

Bien que les arcs électriques soient le plus fréquemment nuisibles et dangereux, dans certaines applications ils sont utiles et souhaités. C'est le cas de la soudure à l'arc, lampes à décharge, fours à arc utilisés en métallurgie, etc. [3]

La lampe à arc tout d'abord, puis la bougie de Jablochkoff dans un deuxième temps, étaient les seuls moyens de faire de la lumière avec de l'électricité avant l'invention de la lampe à incandescence par l'américain Thomas Edison simultanément avec l'anglais Sir Joseph Swan.

En électrotechnique

Face au phénomène d'ouverture d'un circuit inductif, l'électrotechnicien aura tendance à raisonner d'un point de vue énergétique. L'énergie qui se trouve dans la bobine l'instant d'avant la rupture doit se dissiper quelque part. Fréquemment l'essentiel de l'énergie se dissipe dans l'étincelle de rupture au moment de l'ouverture du contact. Le reste de l'énergie se dissipe dans la bobine comme telle, au cours de la période des phénomènes oscillatoires post-rupture.

Dans l'industrie, lorsque on doit gérer de nombreuses ruptures de courant sur une machine inductive, on branche en parallèle un ou des composants permettant d'assurer un chemin a ce courant, comme par exemple une diode, dite de «roue libre». C'est le plus fréquemment le cas avec des électroaimants.

En électronique

Si l'interrupteur est remplacé par un composant électronique il faut se prémunir des surtensions de coupure destructrices. Ceci sera réalisé en plaçant aux limites de la bobine un ou des composants permettant d'assurer un chemin au courant à l'instant du blocage du composant principal. Le choix et le dimensionnement de ce circuit dérivateur permettent non seulement de limiter la valeur de la surtension, mais également d'en amortir l'oscillation.

Notes, sources et références

  1. books. google. com, Ouverture d'un circuit inductif
  2. Tout bobinage a des capacités parasites, même ceux particulièrement conçus pour les diminuer, comme le bobinage en «nid d'abeilles»
  3. Dans le cas de la soudure à l'arc, l'interrupteur du diagramme est constitué par le contact entre le métal à souder et l'électrode.

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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 07/04/2010.
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