1 000 000 VOLTS


Les transformateurs élévateurs de tension


1- La bobine de Ruhmkorff a un interêt historique. Contrairement au générateur Tesla qui travaille à l'enclenchement d'un circuit oscillant, le générateur de haute tension à moyenne fréquence de Ruhmkorff utilise les surtensions générées par la coupure d'un circuit inductif. Il est à noter que la tension d'alimentation peut être soit continue, soit alternative.

2- Les transformateurs générateurs de haute tension alternative à fréquence industrielle nous intéressent surtout ici.

(Le générateur de Tesla, bien qu'il soit alimenté à fréquence industrielle, est traité ailleurs)


1 La bobine de Ruhmkorff

Ruhmkorff's induction spark coil

Premier géneérateur électromagnétique de haute tension à partir d'un source de courant continu, cette bobine d'induction sera perfectionnée entre 1832 ( Joseph Henry, C.G. Page ) et 1865 (H.D Ruhmkorff) par enrichissements successifs (W.Sturgeon, N.J. Callan,C.E. Neeff, H. Fizeau, L. Foucault).

HISTORIQUE

Schema de principe ( Michel Aguet et Michel Ianoz)

L'interruption, la plus brusque possible ( rupteur), du courant ip dans le primaire d'un transformateur haute tension, engendre une surtension us directement proportionnelle à la valeur

1) de l'inductance primaire , 2) de l'inverse du rapport de transformation Ns/Np 3) de la pente du courant au moment de la coupure ( rupteur)

Le rupteur était d'abord du type électromagnétique ( principe de la sonnerie) . Actuellement le rupteur peut être un commutateur rotatif, un fil fusible ou «exploding wire» , un relais sous vide ou «relais reed», un rupteur électronique à transistor ou à thyristor à circuit de commutation.

Utilisée d'abord dans le monde médical (Guillaume Duchenne), la bobine de Ruhmkorff sera utilisée par Heinrich Herz pour vérifier ( 1887-1888 ) la théorie de Maxwell et lancer l'aventure de la radio-communication. Elle sera aussi le premier générateur alimentant les tubes de Crookes et lancer la radiologie .


Grande bobine de Ruhmkorff  ( Induction spark Coil )

Un des premiers appareils a rayons X
Photo J. Boyer

Credit photo : Science Museum , Londres

"La très connue société francaise Carpentier à Paris a construit récemment [1916] une grosse bobine à étincelles produisant des décharges de 1,25 m de long ( 48.75 pouces ) à partir d'une alimentation à courant continu de 110 volts.Un interrupteur à mercure est utilisé pour interrompre le courant de 30 ampères du primaire . La bobine est supportée par des pieds en verre pour isoler rigoureusement les enroulements et les électrodes contre les fuites vers le sol. Le potentiel lors de l'étincelle au secondaire peut atteindre 1 million de volts ( valeur maximale). Le support de la bobine est monté sur roulettes si on veut la deplacer. Le primaire , comprenant le noyau en acier laminé et l'enroulement mesure 2 m ( 79 pouces) de long. Le noyau a une section de 60 cm carrés ( 9 pouces carrés). L'enroulement consiste en 792 spires bobinees en six couches, d'un fil de cuivre de 1 millimètre de diametre ( gauge 18 Brown and Sharpe AWG ). Le primaire est entouré par un tube en ébonite de 2 m de long et de 15 mm d'épaisseur ( 6/10 de pouce) . Le bobinage du secondaire utilise une longueur énorme , 157 km (97.5 miles ), de fil de cuivre de 0,2 mm ( gauge 32 Browm and Sharpe AWG)".

Photo (J. Boyer)  and article in 'The Electrical Experimenter' October 1916, page 395.

"A massive spark coil recently constructed in France by the well-known firm of Carpentier, Paris, produced crashing sparks 1 1/4 metres in length or about 48.75 inches, when operated on a 110 volt D.C. circuit.A mercury interrupter was used to break up the primary current of 30 amperes.The coil proper is supported on glass legs to thoroughly insulate the windings and terminals from ground leakage. The potential of the secondary spark amounts to over a million volts (maximum value). The coil frame is mounted on casters so that it can be moved about at will.The primary, comprising the laminated iron core and winding, measures 79 inches in length. The core has a cross-section of 60 square centimetres or 9 square inches. The winding consists of 792 turns of wire wound in six sections, the diameter of the wire being No. 18 B. and S. gauge.The primary coil is encompassed by an ebonite (hard rubber) tube 79 inches long by 6/10 inch thickness of wall.The secondary winding involves the tremendous length of 97 1/2 miles of insulated copper wire No. 32 B. and S. gauge."

(Thanks to Dr Duncan Cadd for these informations , back from a compilation of articles 'The very best from the Electrical Experimenter 1916-1917' from Lindsay Books)

The electrical researcher Heinrich D. Ruhmkorff, from Hannover, around the middle of the nineteenth century was able to improve Callan's two-winding induction spark-coils, on the basis of the research conducted in Paris by Masson and Breguet in 1842, in such a way that since then these devices bear his name.

The first patents date back to 1851 and follow one another introducing a few fundamental novelties. The iron core is still rectilinear and the primary winding, close to the iron, and the secondary winding, are arranged on it. The primary winding is fed by a storage battery, through a switch operated by the magnetized core. The current in the primary winding is pulsed, and the voltage on the secondary is alternating. First of all, Ruhmkorff took particular care of the secondary insulation, using for the winding a lacquered copper wire, then inserting between one layer and the other a sheet of paper or varnished silk and finally separating the primary winding from the secondary one by a glass pipe. Afterwards, by using an invention of the English E. and C. Bright, he divided the secondary winding into compartments, each one wound and insulated from the others; all were then connected in series. In this way the spots between which the highest difference in potential was to be found were at the greatest possible distance. The secondary wire could reach even tens of kilometers of total length.

Later Ruhmkorff improved the mercury switch by covering the mercury with alcohol to extinguish the spark and avoid oxidation. Finally, applying fizeau's device, he connected a capacitor between the terminals of the primary interruption bow, in order to increase the induced voltage. The frontal pawn is used to invert the primary current.

Références / Ruhmkorff

W.D. Hackmann, 'The Induction Coil in Medicine and Physics, in Etudes sur l'histoire des instruments scientifiques', R.Turner Books, London, 1989. Museum of History of Science , Oxford , U.K.

Paolo Brenni , ‘19th Century French Scientific Instrument Makers: IV-Heinrich Daniel Ruhmkorff (1803-1877)’, Bulletin of the Scientific Instrument Society No. 41 (1994), 4-8.

Christoph Meinel (ed.), Ruhmkorff, Roentgen, Regensburg: Historische Instrumente zur Gasentladung (Regensburg: Lehrstuhl fur Wissenschaftsgeschichte, Universität Regensburg, 1997), 76pp. Catalogue of exhibition of apparatus for corona discharges, X-rays etc.

(Spark-) Induction Coils Sparks and Arcs from Kurt Schraner's Induction Coil (with Dimmer-Driver) - Building my Induction Coil by Kurt Schraner.


2 Les transformateurs élévateurs de tension à fréquence industrielle


Ils sont spécialement concus et isolés pour la génération de hautes tensions.

La haute tension est induite dans les spires du secondaire.

L'isolation de 2 spires successives d'un transfo HT ne présente pas de difficultés puisque les chutes de tension sont faibles d'une spire à la suivante.

Par contre l'isolation devra être importante d'une couche de spire à la couche suivante, puisque les chutes de tension entre les couches peuvent atteindre plusieurs dizaines de milliers de volts.

Deux techniques d'isolation peuvent être choisies :

A l'Européenne : enroulements a couches concentriques

A l'Americaine : enroulements en galettes

EUROPE
USA
Enroulements

concentriques

Culasse Tension inferieure Tension superieure Isolant
Enroulements

en galettes



Finn Hammer - Homemade transfo
15 kVA Homemade transfo


Enroulement  haute tension ( générateur RX) Enroulement  haute tension (générateur RX ) 



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