Cette thèse est développé, en part, dans le contexte du projet de coopération France-Colombie, financé para le
programme ECOS-Nord: Générateurs électriques pour dispositifs plasma de désinfection de l'eau. La description
suivant du sujet de thèse, est inspiré dans ce projet.
Le rayonnement ultraviolet est bien connu depuis plusieurs décennies pour son pouvoir germicide. Ainsi des systèmes
de désinfection/stérilisation par UV sont aujourd'hui utilisés couramment pour éliminer les micro-organismes dans
l'eau potable.
L'objectif concret de ce projet pluridisciplinaire est l'étude de la faisabilité d'un système de stérilisation à l'aide des
rayonnements UV issus des lampes à Décharge à Barrière Diélectrique (DBD) à excimères. Cette désinfection
s'appliquera prioritairement à l'eau et pourra concerner dans un second temps d'autres liquides alimentaires.
Les décharges « Corona » sont aussi d'excellentes candidates, pour les applications de stérilisation, grâce à leur capacité
à créer des espèces physico-chimiques actives aux propriétés bactéricides très intéressantes. Nous envisageons de les
associer au traitement en vue d'améliorer son efficacité.
Notre projet présente deux volets : un volet fondamental et un volet appliqué. Le volet fondamental consiste en l'étude
détaillée du plasma dans la lampe DBD, sa cinétique chimique, ses propriétés physiques et radiatives et ses interactions
avec son alimentation électronique. Ce travail sera associé à l'étude de l'influence du rayonnement UV et des espèces
actives sur les microorganismes et, dans le cas où le traitement serait appliqué à un liquide alimentaire différent de
l'eau, sur les propriétés chimiques du liquide traité.
Cette étude doit nous amener à déterminer la meilleure combinaison entre des lampes innovantes et une alimentation
électronique appropriée, associée à sa commande, afin d'augmenter l'efficacité du traitement. Sur ces bases, la
conception des lampes et des générateurs électriques les mieux adaptés pourra être réalisée.
Le couplage de ces générateurs électriques avec leur source d'énergie primaire sera étudié. Pour pallier le cas où
l'absence d'un réseau de distribution électrique ne permettrait pas de disposer des ressources nécessaires à leur
fonctionnement, nous envisageons de prendre en compte leur alimentation par des sources d'énergie renouvelables
(panneaux photovoltaïques par exemple).
Des prototypes seront réalisés pour valider expérimentalement les conclusions théoriques.
Objectifs :
Sur la base des connaissances déjà existentes, il apparaît qu'une fois effectué le choix des caractéristiques de la lampe
émettrice de rayonnement UV, de nombreuses investigations restent à mener, concernant les caractéristiques du courant
à fournir à cette lampe pour produire le rayonnement le mieux adapté à la destruction des micro-organismes présents
dans l'eau.
De nouvelles structures de convertisseurs, étroitement associés aux lampes qu'ils doivent alimenter, nécessitent des
études, à la fois théorique (dans leur couplage avec les lampes) qu'expérimentales. Ces structures doivent contribuer à
apporter les performances suivantes :
puissance réglable,
fréquence de fonctionnement ajustable,
amplitude et valeur efficace du courant injecté dans la lampe réglables,
formes d'onde du courant lampe paramétrable,
maîtrise du prélèvement d'énergie sur la source d'énergie primaire :
o satisfaction des normes dans le cas du réseau de distribution,
o compatibilité avec les caractéristiques de la source d'énergie renouvelable (panneau photovoltaïque
par exemple).
fiabilité de fonctionnement et rendement maximisé.
On conçoit bien, à la vue de ces objectifs qu'il s'agit de mettre au point un outil d'investigation et non pas un prototype
industriel. L'ajustement de l'ensemble des caractéristiques réglable doit permettre de déterminer les meilleures
conditions d'alimentation de la lampe (interactions entre le générateur et la lampe), du point de vue de la production
d'UV. |
In this thesis, with the aim to increase the eciency of the DBD excimer UV lamps
systems a process covering two main stages has been conceived: The rst is the study of the lamp best performance operating conditions and the second is the enhancement of the lamp power supply electrical efficiency.
For the main stage, a study of the lamp operating point impact over the lamp performance was proposed. To make possible this performance study, a new scientific tool has been developed. This tool is a current-mode power supply capable of injecting a square-shape current into the DBD lamp, featuring three degrees of freedom on its output waveform: current intensity, duty cycle and frequency, providing full control and flexibility to adjust the lamp power.
Using this novel equipment the e ect of the current intensity, frequency and pulse
energy over the UV radiation output and lamp eciency of a XeCl DBD UV excilamp,
was revealed. From these results and for the tested operating range, the value of the injected pulse energy has been revealed to be determinant in the lamp eciency. Pulse energies about 300-400 uJ, are found to provide the lamp best performance operating points. For a given value of lamp electrical power, the use of low-frequency high-intensity currents has demonstrated to obtain higher UV radiation output.
On the basis of the parametric study results and with the aim of increase the lamp-supply efficiency, a converter conceived with a high electrical efficiency criteria and to work at the optimal lamp operating point, has been proposed. Finally, an analytical and experimental comparison of the proposed supplies and other high-eciency topologies, working at the DBD excilamp optimal operating point, has been presented and analyzed. |