formation arcs électriques dans circuit inductif

[quentief]

Bonsoir,

J'ouvre cette nouvelle discussion car j'aimerai comprendre pourquoi, dans un circuit inductif, des arcs électriques se forment lorsque l'on ouvre le dit circuit.
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[mizambal]

hello. Un arc c'est quand l'air devient conducteur si la tension est suffisante et les 2 electrodes assez proches.
Tu peux en conclure que dans un circuit inductif, une surtension apparait lorsque l'on ouvre le dit circuit, et ensuite tu risques de te demander pourquoi une surtension apparait lorsque l'on ouvre le dit circuit (?)
Et c'est écrit dans la loi de l'induction, qui peut se ramener dans le cas de l'inductance à écrire que :
la tension induite dépend de la variation du courant en fonction du temps : V(t) ) = L.di(t) / dt
et dans ton exemple, couper un circuit ça fait varier la valeur du courant bah .. super vite ('dt' est tout petit) => énorme tension induite

[quentief]

D'accord je vois, en effet je connais cette propriété. Donc c'est la surtension provoquée par la bobine, lors d'une brusque variation de courant qui permet d'allumer l'arc électrique.

Mais est ce que cet arc électrique peut se maintenir aussi longtemps que le circuit est alimenté, ou bien est-ce que l'arc électrique fini par s'éteindre ? (puisqu'il n'y a du coup plus de variation de courant pour permettre la surtension de la bobine)

[mizambal]

En supposant que la chaleur générée par l'arc initial soit si élevé ... jusqu'à transformer l'air en plasma !! Ce parcours aérien de l'arc initial deviendra une sorte de "conducteur électrique" où le plasma transporteraient le courant, ce phénomène pourrait se poursuivre en s'auto-entretenant : Chaleur => Electricité => Chaleur => etc ... ... un peu comme ça : https://www.youtube.com/watch?v=dkUJ4exXt7Y

[A voir en vidéo sur Futura]

[Resartus]

Bonjour,

Une petite précision ; l'énergie stockée par le circuit inductif va rapidement s'épuiser, mais si un autre circuit à faible tension prend le relais pour fournir un courant suffisant, l'arc se maintient.

Mizambal n'a pas choisi l'exemple le plus banal ! : un simple tube fluorescent domestique fait exactement cela : le "starter"*, quand il coupe le contact, va engendrer une surtension de qq kV suffisante pour engendrer un arc entre les deux extrémités, qui se maintient ensuite avec seulement 220V.

C'est juste plus facile et plus contrôlable que dans l'air, parce que le gaz contenu dans le tube est sous très faible pression.

*Ils sont maintenant électroniques, mais le fonctionnement reste le même

[quentief]

D'accord je commence à comprendre. Et savez vous comment l'on dimensionne la bobine à cet effet ?

[f6bes]

Bjr à toi,
Le dimensionnement de la bobine (et de son courant) va DEPENDRE de la distance qui
sépare les deux "bornes" ( si on peut appeler cela des bornes ).
Qq millimétres peuvent suffire pour engendrer l'arc, comme il faudra dans certains cas
plusieurs ..dizaines de cm.
Bien sur les tensions nécessaires ne seront pas les memes. (qq kv à des dizaines de kv ...voire plus suivant le cas)
Bonne journée

[quentief]

Je viens de lire cet article sur Wikipédia https://fr.wikipedia.org/wiki/Ouvert...rcuit_inductif
Donc effectivement : l'ouverture d'un circuit électrique inductif génère effectivement une surtension. L'article va même plus loin en considérant les capacités parasites entre les spires de la bobine sous la forme d'un condensateur équivalent.

Donc nous avons deux cas : s'il n'y pas d'arc électrique au niveau de l'interrupteur, alors le circuit LC oscillera et l’énergie électrique finira par se dissiper (resistance électrique, pertes par hysteresis, par courant de Foucault,...)

Si la surtension le permet, alors un arc électrique se formera au niveau de l'interrupteur. D'après l'article, ce phénomène est également employé pour les postes à souder. Donc si je comprends bien, lorsque le soudeur décolle sa baguette de soudure de la pièce à souder, il ouvre le circuit inductif. Il en résulte une surtension au niveau de la bobine. Il faut également que cette surtension dépasse la valeur du champ disruptif de l'air. Sachant qu'un soudeur maintient une distance de 5mm entre la pièce à souder et son électrode, la bobine doit être en mesure de générer une surtension de 18kV lors de la phase d'amorçage de l'arc. Est ce bien ça ?

Mais il y a point que je ne comprends pas, ce principe ne semble fonctionner qu'avec une source de courant continu, puisqu’il faut que la bobine accumule dans un premier temps de l'énergie magnétique. Or, certains postes à souder n'ont pas de redresseurs et fonctionnent avec des tensions alternatives (je le sais bien car moi-même j'en dispose d'un). Qu'est ce qui permet à ces postes à souder de maintenir des arcs électriques ?

[Black Jack 2]

Bonjour,

Mais il y a point que je ne comprends pas, ce principe ne semble fonctionner qu'avec une source de courant continu, puisqu’il faut que la bobine accumule dans un premier temps de l'énergie magnétique. Or, certains postes à souder n'ont pas de redresseurs et fonctionnent avec des tensions alternatives (je le sais bien car moi-même j'en dispose d'un). Qu'est ce qui permet à ces postes à souder de maintenir des arcs électriques ?

Ce que j'en pense :

L'ordre de grandeur du cos(Phi) pour un poste à souder monophasé sans redressement est de l'ordre de 0,5
Ceci est réalisé par l'introduction de capacité ou d’inductance dans le circuit alimenté en courant alternatif.
Ceci entraîne un décalage temporel entre la tension et l’intensité...

Et donc, on n'a pas simultanément un courant et une tension nulle dans l'arc.
L'arc se poursuit tant que le courant n'est pas nul (ou presque) et quelques instants (ordre de la ms ?) après ces moments, la tension est suffisante pour réamorcer l'arc et le courant repart dans le sens opposé à l'alternance précédente.

Ce phénomène est favorisé en général par l'utilisation de "baguettes de soudure" spéciales pour l'alternatif qui favorisent l'ionisation au niveau de l'arc.

[quentief]

D'accord donc vous pensez qu'il n'y a aucun rapport avec l'énergie emmagasinée par la bobine, c'est juste un décalage entre la tension et l'intensité qui permet l'apparition d'un arc électrique. Le phénomène fonctionnerait t-il aussi avec un condensateur à la place de la bobine ?

[f6bes]

Remoi,
Je ne sais pas si l'on doit parler de "décharge" de bobine pour un poste basique
de soudure à l'arc.J'aurais qq réticence à le voir comme cela.

Je ne connais pas de baguettes " spéciales" pour soudure à l'arc.
Lorsque j'achéte mes baguettes AUCUNE indication " spéciale " pour poste soudure à l'arc sur alternatif
n'est mentionné.
Le poste que je me suis fabriqué, n'est finalement qu'un vulgaire TRANSFORMATEUR...abaisseur.

Bonne journée

[Antoane]

Bonjour,

Pour amorcer un arc, il faut que le champ électrique soit suffisant, supérieur au champ disruptif du matériau. La tension aux bornes d'un condensateur étant constante (sauf au cours de la (dé)charge), il n'est possible d'amorcer un arc avec qu'en rapprochant les électrodes l'une de l'autre (ou en en modifiant la géométrie, cf. effet de pointe https://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_de_pointe).

Le déphasage courant/tension dans l'arc ou entre les électrodes ne dépend que des caractéristiques électriques de ce qui se trouve entre ces électrodes : plasma ou air.
Le déphasage entre la tension et le courant tiré sur le réseau par le poste à souder n'a pas d'impact direct sur l'arc (ce déphasage pouvant être corrigé/compensé par un PFC https://en.wikipedia.org/wiki/Power_...n-linear_loads et https://en.wikipedia.org/wiki/Power_...f_linear_loads).

Avec un modèle simpliste supposant que le circuit est constitué d'une bobine idéale (pas de capacité ni de résistance parasite) et d'un interrupteur idéal (pas de capacité ni de résistance parasite, temps de commutation nul), aux bornes duquel sont connectées les électrodes devant engendrer l'arc, l'énergie stockée dans l'inductance ne peut être dissipée qu'au sein de l'arc. Cette énergie influe alors uniquement sur la durée (combien de temps faut-il pour dissiper toute l'énergie dans l'arc) et la "brillance" de l'arc (qui dépend du courant).
En pratique, l'énergie magnétique stockée dans l'inductance est en partie dissipée dans sa résistance interne, via le passage du courant alimentant l'arc et du fait des oscillations entre l'inductance propre de la bobine et sa capacité parasite. En pratique, la capacité parasite du montage et les caractéristiques du commutateur (tension de claquage, vitesse de commutation) vont limiter la longueur de l'arc.

Un poste à souder "traditionnel" est constitué d'un source de tension AC (généralement d'une quarantaine de volts) à forte impédance de sortie inductive. La distance d'arcage est définie par la tension disponible à vide et est relativement faible. Une fois l'arc établi, le plasma se maintient et le courant est limité par l'impédance de sortie de l'alimentation (avec une contribution, très limitée me semble-t-il, de l'impédance de l'arc en lui-même).
En pratique : c'est réalisé par un transformateur 50 Hz avec une forte fuite magnétique (éventuellement ajustable) qui limite le couplage entre primaire et secondaire, influençant simultanément la tension de sortie et l'impédance de sortie du composant.
Il ne s'agit pas ici d'une décharge de bobine comme celle observable dans le cas d'un starter de tube fluorescent : c'est la création de l'arc qui permet à un courant de s'établir dans la bobine. Dans le cas d'un starter de tube fluorescent, c'est la brusque ouverture du circuit contenant la bobine dans laquelle circule un courant qui entraine l'arcage du milieu.
Peut-être en va-t-il autrement sur un poste à souder inverter.

Je ne connais pas les constantes de temps d'un arc (qui doivent dépendre en particulier du milieu et de l'intensité du courant) mais, même si elle est plus aisée qu'en DC, l'extinction d'arcs causés par un "fort" courant 50 Hz (i.e.100 Hz) n'est pas triviale.

[Resartus]

EDIT je vois que Antoane a déjà répondu, et de manière bien plus précise...
Bonjour,
La tension nécessaire à l'amorçage de la soudure à l'arc est très faible (typiquement entre 50 et 70v, selon le type d'électrode) et est simplement obtenue par la tension a vide du transformateur qui est en fait un réducteur (à partir du secteur à 230 V). Certains poste permettent de choisir cette tension à vide.

Cela suffit car la distance entre électrode et metal est très faible au démarrage. Ensuite, quand l'arc est établi, la tension aux bornes chute à environ une vingtaine de volts, car le courant demandé est très important.

Certains postes sont en courant continu (il y a un redresseur après le transformateur), mais c'est la même chose : pas besoin de bobine specifique pour amorcer

[Black Jack 2]

Bonjour

Et bien je ne suis pas d'accord avec certains propos.

Certes la tension aux bornes de l'arc et le courant dans l'arc ne dépendent que des caractéristiques de l'arc ... du moins tant que l'arc ne s'interrompt pas (ne serait-ce que pendant des temps très court)

Lorsque le courant dans l'arc passe par 0, l'arc s'arrète.

A ce moment la tension secteur n'est pas nulle à cause du cos(Phi) de l'installation et une tension non nulle réapparaît donc quasi immédiatement entre l'électrode de soudage et la pièce soudée et l'arc se réamorce et le courant repart dans l'autre sens.

Piqué sur le net : http://atm.ulb.ac.be/wp-content/uplo...2016_17-MP.pdf

Soudage en courant alternatif
L’arc en courant alternatif est moins stable qu’en courant continu, en effet, chaque fois que la
tension passe par zéro, l’arc s’éteint et risque de ne pas se réamorcer. Certaines précautions peuvent
être prises qui toutes tendent à maintenir une bonne ionisation de l’atmosphère gazeuse dans
laquelle se produit l’arc afin de faciliter le réamorçage (ex : déphasage du courant sur la tension).


Quant au choix des baguettes, je lis dans les catalogues pour certaines baguettes : "S'utilise uniquement en courant continu avec un poste à souder de type inverter"

ou ceci :

* électrodes à enrobage cellulosique
Leur enrobage est principalement composé de cellulose avec ferro-alliages incorporés (magnésium et silicium). L'enrobage se gazéifie presque complètement, et permet donc de souder également en position verticale descendante, ce que ne permettent pas les autres types d'électrodes; la gazéification élevée de la cellulose réduit la quantité de scorie présente dans le soudage. Le fort développement d'hydrogène (dû à la composition chimique particulière de l'enrobage) fait que le bain de soudage est "chaud", avec fusion d'une quantité notable de matériel de base; il est ainsi possible d'obtenir des soudures pénétrant en profondeur avec peu de scories dans le bain.
Les caractéristiques mécaniques de la soudure sont excellentes; le niveau esthétique est peu satisfaisant, l'absence quasi totale de la protection liquide offerte par l'enrobage empêchant de modeler le bain durant la solidification.
Le courant de soudage, étant donné le peu de stabilité de l'arc, est généralement en courant continu (CC) en polarité inverse.

Etc ...

Bref, il ya des baguettes "passe-partout", néanmoins suivant le type de soudure à réaliser, des baguettes "faites pour" existent ... et si on veut un travail "propre" dans les cas un peu compliqués, il faut choisir les baguettes adéquates (en sachant que certaines sont meilleures en AC et d'autres en DC suivant le cas).

[stefjm]

Bonjour,
Sanchant que , le courant d'une inductance ne peut être que continu au sens mathématique.

[quentief]

Très intéressant votre article Black Jack 2, il y a des procédés de soudage que je ne connaissais même pas.

Concernant votre formule stefjm, je n'arrive pas à comprendre votre raisonnement :

si nous avons une tension v(t) alternative, de période T, alors on intègre votre relation de 0 à T/2. En supposant que v(t) soit positif sur cette demi période, i(t) serait positif entre 0 et T/2

Ensuite, on intègre la relation de T/2 à T. Et bien sûr, v(t) sera négatif sur cette demi période donc i(t) sera négatif.

Il en résulte un courant alternatif de période T.

[stefjm]

Bonjour,
J'aurais du préciser les bornes de l'intégrale pour être plus clair.
evec x la variable muette d'intégration et t le temps.
Si on considère que la fonction v est continue par morceau, qui est une hypothèse physique raisonnable et habituelle, alors la fonction i, définie par une intégrale est continue.
https://en.wikipedia.org/wiki/Integr...em_of_calculus
https://lavau.pagesperso-orange.fr/mpcsi13/integral.pdf , voir intégrale fonction de la borne supérieure.

Le courant dans une bobine ne peut donc pas s'annuler instantanément à l'ouverture du circuit.

C'est une déduction logique (mathématique) du modèle utilisé pour décrire une inductance.

Je ne dit rien de plus que cela...

[quentief]

Bonjour,

Toutes mes excuses stefjm, par continu je comprenais courant continu, pas continu dans le sens une fonction mathématique continue
Bref en effet vous avez raison, si l'on considère ce modèle mathématique le courant I est effectivement continu au sens mathématique puisque nous intégrons une fonction v pour le voltage aux bornes de la bobine qui est supposée continue.

Mais après je pense qu'il ne faut pas oublier que cela reste un modèle mathématique, valable uniquement si certaines hypothèses sont vérifiées. Par ailleurs on suppose que la tension est continue (encore une fois au sens mathématique), c'est vrai en régime établi par contre si l'on ouvre ou si l'on ferme un circuit RL de façon brutale, pas sûr que cette hypothèse soit toujours valable. Pour expliquer le phénomène de façon mathématique, je pense qu'il faut adopter un autre modèle. L'article que j'avais trouvé me semblait pas mal : https://fr.m.wikipedia.org/wiki/Ouve...rcuit_inductif

[quentief]

J'ai trouvé un autre article sur les émetteurs à arc (l'ancêtre de la Wifi de mon smartphone si on veut �� ) . Le principe est assez intéressant je trouve : on met en résonnance un circuit RLC grâce à un arc électrique.

https://fr.m.wikipedia.org/wiki/%C3%...eur_%C3%A0_arc

Par contre l'article précise que l'on pouvait utiliser des tensions continues de lors de 50 volts pour mettre en fonctionnement ces systèmes. Bon je suppose que la bobine devait probablement gênerait la surtension nécessaire afin de générer les arcs électriques requis. Mais pour amorcer le système, comment faisait on ? Ou alors ce serait l'éclateur qui joue le rôle de l'interrupteur ? On l'ouvre et un arc électrique se forme, fait résonner le circuit RLC d'où plus d'arcs électriques ?

[stefjm]

De toute façon, la physique d'aujourd'hui n'est décrite que par des modèles en utilisant des mathématiques.
On peut au choix rajouter des défauts (genre capacité parasite) ou généraliser les fonctions avec les distributions (ici de Dirac), pour modéliser la surtension.