Analyse du VIC de Meyer (Part 1)

Bonjour,

But:

Analyse de la partie VIC du brevet WO 92/07861 de M. S. Meyer.

Ce brevet est assez connu, beaucoup d'expériences font référence à celui-ci, on en trouve aussi de nombreuses analyses, mais aucune ne m'a satisfaite en tant qu'électronicien. J'ai donc essayé de faire ma propre analyse. Pour ne pas être tributaire d'un banc de mesure, de simplifier le changement des valeurs de composants, et aussi de ne pas passer mon temps à bobiner des transfos, j'utilise un moyen moderne: la puissance de calcul d'un ordinateur récent et un logiciel d'analyse de circuit électronique dérivé de "Spice".

Le schéma d'origine:

Tout d'abord un rappel du schéma de la partie VIC (Voltage Intensifier Circuit) du brevet de M. Meyer:

Sur ce schéma, j'ai ajouté le repérage du sens des enroulements.



Rapport Primaire/Secondaire (TX1/TX2) = 1:3 (dixit Meyer: 200/600 tours)
Nous supposons TX5 = TX4
Coefficient de couplage des enroulements = 1
TX3 est un enroulement de mesure du courant.

Tous les éléments du secondaire sont en série (TX2, TX4, TX5, D, WFC), certaines règles peuvent donc être appliquées:

- Les trois enroulements secondaire du transfo (TX2, TX4, TX5) sont sur le même circuit magnétique, ils sont fonctionnellement équivalent à un seul secondaire égal à leur "somme".

Cette somme doit être faîte en respectant le sens des enroulements: TX4 et TX5 sont égaux et opposés, ils s'annulent. Donc, ces deux enroulements n'interviennent pas dans le fonctionnement du VIC, autrement dit, ils ne servent à rien, sinon qu'à amuser la galerie (à moins que le schéma soit faux).

- Dans un circuit série le courant est identique en tous point du circuit.

- La présence de la diode oblige le courant secondaire à circuler dans un seul sens (il n'y a pas de résonance électrique possible).

Schéma équivalent:

Si on assimile le schéma équivalent du WFC (Water Fuel Cell) à une capacité en parallèle avec une résistance, nous pouvons faire le schéma ci-dessous pour l'analyse de l'ensemble ci-dessus:




V1 : L'alimentation 12 volts (pur hazard!).
V2 : Le générateur 10kHz (valeur choisie arbitrairement) rapport cyclique 50%.

D2 : Diode d'alimentation du WFC.

TX1 = L1 ( valeur "optimisée" )
TX2 = L2 = L1 * n^2 (n = rapport de transformation, ici n = 3)

CWFC : Le condensateur équivalent au WFC (c'est la capa des électrodes dans l'eau, ici 155 cm-carré espacées de 2 mm).
RWFC : La résistance équivalente au WFC (eau légèrement conductrice), le courant qui circule ici contribut au bullage (type "Faraday").

J'ai ajouté les composants de commande pour pouvoir faire une simulation du montage.

D1 : La diode aussi appelée "diode de roue libre".
M1 : Le MOSFET qui sert d'interrupteur.

Les composants sont générique ou "ideaux" (D1, D2, M1 possèdent qque éléments (resistance, capa) parasites).

- Simulation:

- Résultat côté primaire:




En bleu : La tension de commande du MOSFET.
En Rouge : La tension Drain du MOSFET.
En Vert : Le courant dans le primaire (L1) du transfo.

Pendant le temps ON du MOSFET: Charge en courant du primaire du transfo.

Pendant le temps OFF du MOSFET: La diode D1 recycle le courant de charge du transfo, comme il y a peu de pertes, le courant est quasi conservé. D2 est bloquée.

On remarque que le courant dans le primaire du transfo va croître indéfiniment (50 ampères après 1mS). La seule limitation qui va s'opposer à cette croissance sera due aux résistances "parasites" (fils, batterie, RS-on du MOSFET, ...).

Si les résistances internes des composants sont faibles, ce montage va courrir à son autodestruction au bout d'un certain temps.

Si on supprime D1: pendant le temps OFF, l'énergie contenue dans le primaire du transfo, va être transféré aux capas parasites de M1 et D2, ce qui donne une trés grande surtension sur ces élements pouvant entrainer leur destruction.

- Résultat côté secondaire:




En rouge: La tension aux bornes du WFC (celle-ci ne dépassera pas les 36V = 3 x 12V).

Pendant le temps ON du MOSFET: on observe une impulsion de tension correspondant à la variation du courant primaire, une partie de l'énergie va dans la résistance du WFC l'autre est stockée dans la capa du WFC.

Pendant le temps OFF du MOSFET, la capa du WFC de décharge dans la résistance du WFC.

En bleu: Le courant dans le secondaire du transfo.

- Répartition du courant secondaire:




En bleu: Le courant dans le secondaire du transfo.
En vert: Le courant dans la capa du WFC.
En rouge: Le courant dans la résistance du WFC (celui qui va contribuer au bullage).

Pendant le temps ON du MOSFET: charge très rapide de la capa du WFC (quasi supperposition de l'impulsion en bleu et en vert), puis on voit le palier de courant dans la résistance du WFC (quasi supperposition des paliers bleu et rouge)

Pendant le temps OFF du MOSFET: Le courant dans la capa du WFC s'inverse, la capa se décharge dans la résistance du WFC (cette énergie est récupérée pour le bullage).

En augmentant la fréquence (ou en modifiant le rapport cyclique), on peut atteindre un fonctionnement plus optimum, ou le temps de décharge de la capa du WFC sera égal au temps OFF du MOSFET.

Quand M. Meyer parle de "résonance", ne veut-il pas tout simplement dire "optimum" ?.

Ma conclusion:

Ce montage tel quel consomme beaucoup d'énergie pour un courant de bullage très faible. L'amplitude de la tension au secondaire ne permet pas de se sortir du mode de fonctionnement "Electrolyse de Faraday".

D'autre part ce montage présente un problème de fiabilité certain.

L'ajout d'un temps de repos ("gate time") serait une façon d'améliorer la fiabilité de ce montage, en permettant au courant primaire de redescendre vers une valeur plus normale, mais ce serait en pure perte de rendement, donc inefficace. Mauvaise méthode.

Ou bien ce schéma de M. Meyer est juste une idée sur le papier qui n'a jamais été essayée. Ou il présente un certain nombre d'erreurs "volontaires" qu'il faudra corriger (sens des enroulements, éléments manquants).

Evolution possible:

La première évolution consistera à fiabiliser le montage en ajoutant un 3eme enroulement sur le transfo, et en déplaçant la diode D1 pour obtenir un fonctionnement de type "Forward".

Une autre évolution est d'inverser le sens de l'enroulement primaire, on peut supprimer D1, on obtient un fonctionnement de type "Flyback".

Ce sera l'objet des posts suivant.

Par la suite, on pourra essayer de comprendre ce a quoi aurait bien pu servir les enroulements TX4 et TX5.

Bonjour JCV,

Excellente analyse!
Mais attention, tes simulations tiennent compte de valeurs prècises des composants!
Hors la cellule est à la fois une capa variable et un moteur.
Lors de mes différents tests, il n'y rien de fixe et de linéaire!
La cellule arrive à se stabilbiser après au moins 2mn, pendant ce temps la tension interne , le courant , le bullage et température (pour les faibles volumes) varient, tous ces éléments instables sont autant de problèmes pour l'electronique.
Nous pourrons bientôt comparer tout cela!
Continue!
A+

Bonjour fc89,

Je suis tout à fait d'accord, il serait interressant de faire un modele mathématique de la cellule, mais là ça dépasse mon niveau de compétences.

J'ai un autre modèle de simulation de la cellule, non finalisé. Il comporte une partie Rs (résistance série) fixe (ne dépent que des résistances physique, électrodes, connexion, ...), une partie capacitive fixe (ne dépend que de la surface des électrodes), et une partie impédance "faradique" variable qui reste à définir.

Le but des simulations est de comprendre la partie VIC, j'ai donc utilisé un modèle "moyen" de cellule. Quand j'aurais trouvé un schéma qui me semblera correct pour le VIC, je verrais comment il se comporte en faisant varier les paramètres cellule.

Cordialement

JCV

Re bonjour,

Je vois que mon post est passé en "essais pratiques", c'est peut être mieux que documentation.

En plus, il a été mis en "post-it", merci a l'admin, j'en attendais pas temps.

Cordialement

JCV

Bonjour,

Excellent ! Surtout l'état d'esprit...

Oui, je parle d'état d'esprit, de façon de voir, non... d'aborder les choses.

Car je suis persuadé que nous ne sommes vraiment pas nombreux sur toute la toile a justement commencer, avant toute chose, par essayer de comprendre chacun des éléments du système.

A ce sujet, le prochain test qui va être très prochainement effectué avec Francis :

Car, au jour d'aujourd'hui, nous n'en savons rien, réellement.
Nous n'en sommes qu'à supposer, probablement espérer.

@++

Bonjour,

Asl a écrit:

A ce sujet, le prochain test qui va être très prochainement effectué avec Francis :

Répondre (avec, si possible, le minimum d'incertitude) à la question existentielle :
La cellule peut-elle être réellement assimilée à un condensateur

Car, au jour d'aujourd'hui, nous n'en savons rien, réellement.
Nous n'en sommes qu'à supposer, probablement espérer.

Pour mes simulations, je me suis aussi posé la question. Après plusieurs recherches (Google) d'un modèle mathématique, je n'ai rien trouvé de bien interressant. Je pense préparer un schéma équivalent à la cellule, au début il sera très simple (celui utilisé dans ma simulation ci-dessus), puis on essayera de le compléter et de l'améliorer.

Il faut quand même essayer de justifier chaque élément, et leur emplacement.

Le prochain test de Francis est donc très interressant.

Cordialement

JCV

Bonsoir JCV,

En accord avec Alain (Asl), le moment venu , il sera certainement possible de tester ton étude.
A moins que tu ais la possibilité de le tester toi même.
Mais pour l'instant, l'on continue les préliminaires.
Tu es le bienvenue aux débats!
A+

Re,

Pour l'instant, je n'ai pas de possibilité de faire un test pratique de mes simulations.

Le montage tel que présenté ci-dessus est "dangereux" pour le matériel (comme indiqué dans le post), attendez la suite pour un schéma expérimentable.

A+

JCV

Bonsoir,

Francis,
Oui, mais ce n'est pas du tout incompatible, au contraire.

Nous, on fait "mumuse" (je plaisante) en quelque sorte avec des préliminaires comme tu dis, mais que nous estimons importants et JCV permet d'avancer, théoriquement certes, mais sur chaque élément du système.
Hyper important !

Et ça, à ma connaissance, jamais personne ne l'a encore fait (ou a publié ses résultats).

@++

Bonsoir,

Alain tu dis:

Citation :

Et ça, à ma connaissance, jamais personne ne l'a encore fait (ou a publié ses résultats).

Moi, je veux bien tout, mais il faut quand même pratiquer!
Tu es d'accord avec moi, les simulations ne sont pas les reflets de la réalité!
A+

Bonjour,

fc89 a écrit:

Tu es d'accord avec moi, les simulations ne sont pas les reflets de la réalité!

Une simulation permet de valider un principe de fonctionnement. Cela ne remplace pas la pratique, elle vient seulement en complement.

Dans une pratique quotidienne de l'électronique, la simulation m'a permit de réduire le nombre de protos à UN (voir zéro dans certains cas). Gain de temps, gain d'argent (un proto coûte cher).

Dans notre cas tous les éléments électroniques sont simulables, il n'y a qu'un seul élément qui n'est pas représentatif: c'est la cellule.

Pour la cellule, il est possible de relier la production d'hydrogène au courant par la loi de Faraday. Mais la simulation ne permettra pas de découvrir un autre principe de production d'hydrogène.

Par contre, la simulation peut aider à réaliser un montage fonctionnel, qui permettra de découvrir cet autre chose (s'il existe).

Cordialement

JCV

Bonjour JCV,

Je suis entièrement d'accord avec toi.
Nos essais ont tout de même permis d'avoir quelques données, nous n'en sommes encore qu'au début.
Ces données pourront servir justement à définir le futur montage qui commandera la cellule.
Quand nous prétenderons tous, Alain, toi, moi et les autres, avoir suffisamment d'éléments, alors il sera temps de concevoir un proto.
A+

Bonjour,

Francis, de toute façon, on ne va pas commencer une discussion de salon ici pour savoir si la simulation est nécessaire.

Parce qu'elle n'est pas nécessaire... elle est indispensable.

Ceux qui ne passent pas par cette phase préalable sont ceux... qui n'ont pas de simulateur.

Moi-même moi, je dirai plutôt : surtout moi, je passe le maximum de choses au simulateur.
Cela permet de valider, dégrossir et mettre au point.

Des différences avec la pratique ? Bien sûr, il y a en a, et même parfois beaucoup.

Et de toute façon, aucun montage, je dis bien AUCUN, ne fonctionne tout de suite du premier coup (je ne parle pas d'un kit pour allumer trois leds).

Il y a toujours besoin d'une mise au point, réglages, etc...

Alors, soit on le fait directement sur la maquette, et cela se passe obligatoirement lorsqu'on n'a pas de simulateur, soit on gagne du temps avec.

Mais dans notre cas, c'est encore pire, car totalement différent de l'élaboration d'un schéma classique, balisé.
Nous n'avons aucune donnée, rien sur ce qu'il nous faut faire ou pas faire.

Et c'est justement dans ce cas que le passage à la moulinette du simulateur est indispensable. Cela ne nous donnera pas forcément la config miracle, mais pourra nous faire éliminer d'office certains montages tout de suite, sans avoir eu à les mettre en œuvre (donc, au moins : temps, argent et moral préservé).

@++

sur l'image y a un capteur de pression qui doit rentrer dans une boucle de régulation...??? et si on regarde les equations de nertz pour les potenteil d'une electrolyse habituelle, la pression de H2 et O rentre en compte.

Bonjour,

Ces analyses ne concerne que le VIC (intensificateur de tension), je n'ai pas traité le reste du circuit électronique.

A+

JCV

Ia ora na Jean-Claude,

Peux-tu me dire STP quel modèle Spice tu as utilisé pour le MOSFET (couramment un BUZ350 dans les schémas publiés) ?

Alain

Bonjour Alain,

Pour les simulations, j'utilise un modèle générique de la famille IRF, (de mémoire) capa d'entrée 1nF, seuil de basculement 4V.

A+

Jean-Claude

JCV a écrit:

capa d'entrée 1nF, seuil de basculement 4V.

Merci Jean-Claude pour ta prompte réponse

Alain