Générateur XRAM à 1MJ en tant qu’alimentation impulsionnelle des lanceurs à rails

04/10/2018
Publication 3EI 3EI 2018-94
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2018-94:23557
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Générateur XRAM à 1MJ en tant qu’alimentation impulsionnelle des lanceurs à rails

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Générateur XRAM à 1MJ en tant qu’alimentation impulsionnelle des lanceurs à rails La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 43 Générateur XRAM à 1MJ en tant qu’alimentation impulsionnelle des lanceurs à rails OLIVER LIEBFRIED, VOLKER BROMMER Institut Franco-Allemand de Recherches de Saint-Louis (ISL), France 1. Introduction Les accélérateurs électromagnétique constituent des systèmes prometteurs pour l’artillerie de longue portée, ainsi que pour les systèmes d’armes rapprochés (CIWS : Close In Weapon System) pour la défense contre les projectiles hypersoniques [1, 2]. Dans les deux cas, une énergie électrique de plusieurs centaines de mégajoules doit être mise à disposition. Pour que cette énergie puisse être libérée sous forme d’impulsions d’une durée de quelques ms, une puissance de quelques gigawatts doit être générée. Les convertisseurs correspondants utilisent des accumulateurs de puissance de courte durée, comme des condensateurs diélectriques ou des bobines d’induction. Les premiers sont relativement encombrants pour stocker une telle énergie. De plus, ils nécessitent des chargeurs de condensateurs volumineux et des bobines de mise en forme du courant impulsionnel (voir figure 1). Il s’avère que les accumulateurs à stockage inductif présentent une plus grande densité d’énergie que les condensateurs [3]. En optimisant la chaine de conversion d’énergie, il est donc possible de réaliser une alimentation plus compacte, ce qui est d’une importance cruciale dans le cas de diverses applications sur des plateformes mobiles. Pourtant, un système inductif exige des commutateurs d’ouverture qui sont beaucoup plus difficile à réaliser, comme des commutateurs de fermeture (thyristors) sur les systèmes capacitifs. Pour cette raison, la contrainte électrique est répartie sur plusieurs étages / commutateurs selon le principe XRAM, dans lequel un courant de charge peut-être amplifié en fonction du nombre des étages. Un générateur XRAM utilise des commutateurs d’ouverture, à la base des thyristors de puissance, qui sont ouvert symétriquement via un contre-courant de courte durée [4]. La technologie XRAM a déjà été vérifiée en combinaison avec un lanceur à rails [5]. Elle est maintenant développée pour une énergie stockée de 1 MJ, afin de pouvoir effectuer des comparaisons directes avec un lanceur alimenté par des condensateurs. 2. Fonctionnement du générateur XRAM La figure 2 présente un schéma simplifié, ainsi que des courbes de courant de principe d’un générateur XRAM à deux étages, utilisant des commutateurs Résumé : Les canons électriques à grande échelle demandent des puissances de plusieurs GW pendant quelques ms, afin d’accélérer un projectile jusqu’à des vitesses de plus de 2000 m/s. Une telle puissance est mise à disposition par des composants de stockage d’énergie à forte puissance. Ceux-ci doivent être chargés par des sources électriques primaires, comme des batteries ou des convertisseurs connectés au réseau électrique. Les générateurs inductifs ont prouvé qu’ils pouvaient constituer une alternative aux bancs de condensateurs habituellement utilisés. Le principal défi à relever avec les commutateurs d’ouverture à fort courant est représenté par la méthode d’amplification de courant XRAM avec des commutateurs semi-conducteurs à forte puissance, fonctionnant selon le principe d’ouverture par un contre-courant. Un démonstrateur de générateur inductif de 1MJ est actuellement en développement à l’ISL et va servir de source d’énergie impulsionnelle pour un lanceur à rails. Abstract: Railguns require electrical power in the GW-range during milliseconds, in which a projectile is accelerated to a velocity of more than 2000 m/s. Such power is usually provided by applying high power energy storages, which can be charged by available supply sources like batteries, a generator or a network connection. Inductive pulsed power generator have been proven to be a compact alternative to commonly used capacitor banks. The opening switch challenge is encountered by applying the XRAM current amplifying methodology and high power semiconductor switches, turned-off by an inverse- current injection. A demonstrator for a stored energy of up to 1 MJ is currently under development at ISL and will be used to supply a railgun at ISL. Mots clés : Lanceur à rails, puissance impulsionnelle, commutateurs d’ouverture, stockage d’énergie, inductif, Générateur XRAM Figure 1: Chaines de conversion d’énergie capacitive et inductive avec une batterie comme source d’énergie Générateur XRAM à 1MJ en tant qu’alimentation impulsionnelle des lanceurs à rails La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 44 d’ouverture à thyristor. Lorsque les thyristors T1 et T2 sont enclenchés par des unités de gâchette, les inductances L1 et L2 sont chargées en série. En même temps, les diodes D11 à D22 s’opposent à un courant pouvant circuler dans le circuit de décharge. Dès que le niveau maximum de courant est atteint, le thyristor principal TCC est enclenché et les condensateurs CCC1 et CCC2 se déchargent par T1, T2 et la charge (LL, RL). Par conséquent, les commutateurs T1 et T2 sont ouvert et le courant commute du circuit de charge vers le circuit de décharge. Les diodes DCC1 et DCC2 protègent les thyristors au moment critique de la coupure de courant. En appliquant ce principe de commutateur d’ouverture, il est possible d’éviter de forts pics de tension aux bornes des thyristors provoqués par de très forts taux de montée en courant. Une fois la phase de commutation terminée, la charge LL, RL est alimentée par les inductances L1 et L2 mises en parallèle. Etant donné qu’il s’agit d’une charge à basse inductance (par exemple : lanceur à rails), le courant de charge est amplifié en fonction du nombre d’étages du générateur XRAM. Dans le cas de la figure 2, l’amplification équivaut à un doublement. 3. Développement d’un générateur XRAM à 1 MJ Les caractéristiques mécaniques et électriques de ce générateur sont listées au tableau 1. Il s’agit d’une bobine toroïdale (figure 3), qui permet d’éviter la formation d’un champ magnétique de dispersion. Elle est construite à base des disques de cuivre d’une épaisseur variable. Outre une grande stabilité mécanique, cette construction doit présenter une très faible résistance, afin d’éviter de fortes puissances de perte pendant une procédure de charge par alimentation de courant (Ub). La construction modulaire de 20 bobines individuelles permet la réalisation d’un générateur avec différents facteurs d’amplification. Une bobine individuelle a été testée jusqu’un courant impulsionnel de 120 kA, correspondant à une énergie de 136 kJ. La bobine entière a été testé jusqu’à 50 kA, ce qui correspond à 1,25 MJ. Les commutateurs d’ouverture et de fermeture ont été réalisés avec des thyristors rapides (Fast Switching Thyristors) et des thyristors à commande optique (LTT : Light Triggered Thyristors). Les unités de gâchette sont contrôlées optiquement et permettent une commutation synchrone. Actuellement, un générateur XRAM de 10 étages est en phase de construction et il servira pour continuer le développement de la technologie des commutateurs et démontrer la faisabilité de ce système jusqu’à des énergies de 1 MJ. Courant de charge @ 1 MJ 45 kA Courant de décharge (@ 10 étages) 450 kA Inductance totale 1 mH Résistance DC < 10 mΩ @ 20 °C Tenue en tension max. 5 kV Amplification max. (étages) 20 Volume de la bobine 220 l Poids de la bobine 1000 kg Tableau 1 : caractéristiques du générateur XRAM à 1MJ Figure 3 : montage actuel d’un générateur XRAM à 10 étages 4. Références [1] S. Hundertmark and D. Lancelle, "A Scenario for a Future European Shipboard Railgun," in IEEE Trans. Plasm. Sci., vol. 43, no. 5, May 2015. [2] J. Gallant, T. Vancaeyzeele, B. Lauwens, B. Wild, F. Alouahabi and M. Schneider, "Design Considerations for an Electromagnetic Railgun Firing Intelligent Bursts to Be Used Against Antiship Missiles," in IEEE Trans. Plasm. Sci., vol. 43, no. 5, pp. 1179-1184, May 2015. [3] O. Liebfried, "Review of Inductive Pulsed Power Generators for Railguns," in IEEE Trans. Plasm. Sci., vol. 45, no. 7, pp. 1108-1114, July 2017. [4] P. Dedie, V. Brommer and S. Scharnholz, "ICCOS Countercurrent-Thyristor High-Power Opening Switch for Currents Up to 28 kA," in IEEE Trans. Magnetics, vol. 45, no. 1, pp. 536- 539, Jan. 2009. [5] O. Liebfried and V. Brommer, "A Four-Stage XRAM Generator as Inductive Pulsed Power Supply for a Small-Caliber Railgun," in IEEE Trans. Plasm. Sci., vol. 41, no. 10, pp. 2805-2809, Oct. 2013. Figure 2: schéma d’un générateur XRAM à 2 étages et courbes de courant de principe. t ILoad ICharge t0 ÎCharge 2 ∙ ÎCharge Icountercurrent