Séminaires
Modélisation et réalisation d'une chaine de conversion électromécanique à aimants permanents à hautes fréquences
L'étude des chaînes d'entraînement électrique des machines à haute fréquence dans les systèmes d'entraînement électrique des transports sera l'objectif principal de cette thèse. Les problèmes qui doivent être étudiés et développés sont le rendement global du système. De plus, des recherches ont été menées sur la technologie des matériaux à large bande interdit pour augmenter le rendement de l’onduleur et du moteur électrique. L'objectif de l'étude est d'identifier, de modéliser et de valider la conception et la mise en œuvre d'une chaine de conversion électromécanique à aimants permanents à haute fréquence. Les résultats expérimentaux en tenant compte des défauts de ses composants montrent que l'onduleur SiC MOSFET an un écart de chute de tension de phase supérieur à celui des IGBT dans les mêmes conditions de fonctionnement mais le temps de mort peut être réduit grâce à l'avantage de l'onduleur SiC MOSFET qui fonctionne rapidement. C'est pourquoi l'onduleur SiC MOSFET an une chute de tension inférieure à celle d'un IGBT lorsque le temps mort est défini à 0,5 μs. Pour les effets de temps mort (t_d) des onduleurs MLI, un modèle analytique des harmoniques de tension est présenté. Le Taux de Distorsion Harmonique de la tension de sortie (TDH_v) avec et sans temps mort (t_d) a été analysé à l'aide d'une seule série de Fourier. Les résultats expérimentaux et l'analyse comparative par modèle analytique démontrent que la solution harmonique est correcte. Le rendement de l'onduleur SiC MOSFET dépasse celui de l'onduleur IGBT, ce qui est encore plus évident lorsque l'onduleur fonctionne à des fréquences de commutation élevées. Les onduleurs SiC MOSFET fonctionnent mieux pour les applications à haute fréquence. Nous avons réalisé une modélisation et une mise en œuvre expérimentales de la machine à aimants en régime dynamique. Les résultats expérimentaux à vitesses variables montrent un contrôle de la vitesse même à des fréquences fondamentales élevées autour de 2 kHz. Nous avons également pris en compte la diminution de la qualité du courant à mesure que la fréquence fondamentale augmente, nécessitant ainsi l'utilisation de fréquences de commutation élevées, ce qui est possible grâce à la technologie SiC pour résoudre ce problème. La caractérisation en charges, les résultats expérimentaux mettent en évidence la détérioration des performances des machines à haute vitesse. Ceci est principalement dû à l’augmentation des pertes fer et mécaniques qui sont inévitables dans les machines à aimants permanents fonctionnant à hautes fréquences.
Summary:
The study of electric drive chains for high-frequency machines in transportation electric drive systems will be the main objective of this thesis. The problems to be studied and developed are overall system efficiency. In addition, research has been carried out into forbidden broadband materials technology to increase inverter and electric motor efficiency. The aim of the study is to identify, model and validate the design and implementation of a high-frequency permanent magnet electromechanical conversion chain. Experimental results, considering component faults, show that the SiC MOSFET inverter has a higher phase voltage drop than IGBTs under the same operating conditions, but the dead time can be reduced thanks to the advantage of the SiC MOSFET inverter's fast operation. This is why the SiC MOSFET inverter has a lower voltage drop than an IGBT when the dead time is set to 0.5 μs. For the dead time effects (t_d) of PWM inverters, an analytical model of voltage harmonics is presented. The Harmonic Distortion Rate of the output voltage (TDH_v) with and without dead time (t_d) has been analyzed using a single Fourier series. Experimental results and comparative analysis by analytical model show that the harmonic solution is correct. The efficiency of the SiC MOSFET inverter exceeds that of the IGBT inverter, which is even more evident when the inverter is operated at high switching frequencies. SiC MOSFET inverters work best for high-frequency applications. We have carried out experimental modeling and implementation of the magnet machine in the dynamic regime. Experimental results at variable speeds show speed control even at high fundamental frequencies around 2 kHz. We have also considered the decrease in current quality as the fundamental frequency increases, necessitating the use of high switching frequencies, which SiC technology makes possible to solve this problem. Load characterization and experimental results highlight the deterioration in performance of high-speed machines. This is mainly due to the increase in iron and mechanical losses that are unavoidable in permanent magnet machines operating at high frequencies.
Devant un jury composé de :
M. DAKYO Brayima, Professeur, Université du Havre, Rapporteur
M. DJERDIR Abdesslem, Professeur, UTBM, Rapporteur
Mme BAZHAR Sara, Ingénieur R&D, NIDEC PSA Emotors SAS, Examinateur
Mme LIN-SHI Xuefang, Professeur, INSA Lyon, Examinateur
M. JAMSHIDPOUR Ehsan, Maître de Conférences, GREEN, Examinateur
M. TAKORABET Noureddine, Professeur, GREEN, Directeur de thèse
M. LUBIN Thierry, Maître de Conférences, GREEN, Co-directeur de thèse
Etude, conception et réalisation d’un actionneur électrique fonctionnant dans un environnement IRM
Cette thèse traite du développement d'un actionneur électromagnétique compatible IRM. L’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est une technique d’imagerie médicale permettant d’observer l’intérieur du corps humain avec un contraste élevé de façon non-invasive. L’IRM fonctionne grâce à différent champs magnétiques : un champ statique de haute intensité (3T) et des champs variables de plus faible intensité. Disposer d'actionneur compatible IRM permet aux équipes médicales de réaliser des interventions médicales avec un retour d'image en direct. Des technologies d’actionneurs compatibles IRM existent actuellement (pneumatique, piézoélectrique) mais peuvent être encombrant ou dégrader l’image de l’IRM. Le développement d’actionneurs électromagnétiques compatibles IRM ne fait que commencer. Notre proposition d’actionneur se servira de l’important champ statique de l’IRM pour générer un mouvement. Afin de pouvoir tester facilement le prototype d’actionneur, nous avons réalisé un environnement IRM à échelle réduite produisant un champ statique de 0,3T à l’aide de deux aimants permanents NdFeB. Pour dimensionner notre actionneur et étudier son impact sur les champs de l’IRM, différents modèles de calcul du champ magnétiques en 2D et 3D ont été développés. Ces modèles ont ensuite servi dans une procédure d’optimisation de la structure de l’actionneur. Une fois l’actionneur réalisé, une carte d’alimentation et de commande a été développée. Puis les performances de l’actionneur ont été testées dans notre environnement à échelle réduite puis dans un scanneur IRM 2,4T. Cet essai dans un scanneur IRM a permis de quantifier la distorsion de l’image IRM causée par notre actionneur.
Contribution à la modélisation par méthodes intégrales des systèmes électromagnétiques en vue de leur
contrôle et caractérisation – Application aux matériaux supraconducteurs
Etudes numériques et expérimentales des bobines supraconductrices HTC pour des applications en énergie électrique
Mon projet de thèse s’inscrit dans la continuité des travaux réalisés au GREEN sur la caractérisation des supraconducteurs à haute température critique. Il a pour objectif l’étude en amont des phénomènes mis en jeu lors de l’alimentation en régimes continu et variable : répartition et évolution des courants et du champ électromagnétique ainsi que les pertes, pour une meilleure compréhension des phénomènes mis en jeu et une meilleure maitrise de leur intégration dans les systèmes de puissance. L’étude portera essentiellement sur des bobines supraconductrices qui sont les éléments de base de plusieurs applications des supraconducteurs à haute température critique dans les systèmes d’énergie électrique. L’influence de certains facteurs intrinsèques et extrinsèques, comme l’isolation entre spires et la proximité de matériaux actifs ou de sources de champ magnétique sera également abordée. Le travail comporte un aspect expérimental important, nécessitant la prise en main d’outils expérimentaux, la réalisation de différentes structures de bobines et leur alimentation à différents régimes. Une modélisation électromagnétique à grandeurs locales est nécessaire pour vérifier et interpréter les résultats obtenus.
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Etude et conception d'une machine supraconductrice à modulation de flux pour application aéronautique
Cette thèse s’inscrit dans le cadre de l’effort de recherche visant à réduire l’impact climatique de l’industrie aéronautique. L’aviation civile représente en effet environ 3 % des émissions de gaz à effet de serre au niveau mondial et ces émissions sont amenée à augmenter avec la croissance du trafic aérien. Par ailleurs, le forçage radiatif dont l’aviation est responsable ne se limite pas aux émissions de CO2 puisque les avions sont aussi la cause d’autres effets créant du forçage radiatif. Parmi eux on retrouve notamment l’émission d’oxydes d’azote et la création de cirrus induits dans les zones tropicales qui sont soupçonnés de générer un forçage radiatif potentiellement plus important que le CO2. Dans ce contexte, bien que les carburants alternatifs comme les biocarburants ou encore l’hydrogène soient en mesure de supprimer les émissions de CO2, l’électrification peut potentiellement réduire le forçage radiatif dû aux autres effets. Une des solutions d’électrification potentielle passe par l’utilisation des piles à combustible consommant de l’hydrogène. La viabilité d’une telle solution nécessite des composants électriques, dont notamment les moteurs et générateurs, optimisés afin de réduire leur masse. Pour les moteurs électriques, la supraconductivité apparait comme un levier potentiel pour fabriquer des moteurs électriques légers puisqu’il est possible de réaliser des machines ayant des champs magnétiques plus élevés que des machines classiques sans utilisation de fer, ce dernier étant l’un des composants les plus lourds des machines conventionnelles. Le principal inconvénient de la supraconductivité réside dans la nécessité de fonctionner à température cryogénique (typiquement inférieur à -200 °C). Cependant, le stockage embarqué de l’hydrogène à bord d’un avion se fait sous forme liquide à -250 °C, le carburant représente donc une source de froid potentielle pour le refroidissement de composants électriques cryogénique comme les machines supraconductrices. Cette thèse vise donc à exploiter cette synergie potentielle en développant une machine supraconductrice employant la technologie de la modulation de flux afin de concevoir un démonstrateur de forte puissance spécifique.
Synthesis, characterization and comparison of new bulk superconductors
Superconducting materials have already been used in my applications such as MRI, particle accelerators TOKAMAKS or superconducting cables. With this, new projects are under development, such as superconducting electrical motors or magnetic shielding which could involve superconducting bulks as permanent magnets or magnetic shields.
In this way, this Ph.D. is focused on the synthesis, characterization and comparison of the different superconducting bulks such as Iron-based or cuprates.
Classic furnace sintering and spark plasma sintering processes have been used on Iron-Selenide superconductors to optimize their superconducting properties and phase purity.
Characterizations of the superconducting and material properties of the synthesized superconductors have been carried out as well as on other materials like REBaCuO (Rare Earth, Barium, Copper oxide) superconductors. Different characterization techniques are presented like magnetometry with a MPMS-SQUID (Magnetic Property Measurement System, Superconducting Quantum Interference Device), trapped field cartography, X-ray diffraction and Scanning electron or optical microscopy. I also had the occasion to characterize the superconducting properties of Infiltration Growth YBaCuO bulks using cantilever magnetometry with magnetic fields up to 33 T.
With this, a comparison of the measured properties with other superconducting materials is done to determine the readiness of those materials concerning electrical engineering and their competitiveness compared to other well-developed materials such as Melt Growth YBaCUO bulks.
Synthèse, caractérisation et comparaison de nouveaux supraconducteurs massifs
Des matériaux supraconducteurs sont d’ores et déjà utilisés pour diverses applications technologiques comme les IRM, les accélérateurs de particules, les TOKAMAKs ou les câbles supraconducteurs. Avec ceci, de nouveaux projets sont en cours de développement comme des moteurs électriques supraconducteurs ou des écrans magnétiques ce qui peut nécessiter l’utilisation de massifs supraconducteurs comme aimant permanent ou écran magnétique. Dans cette optique, cette thèse est centrée sur la synthèse, la caractérisation et la comparaison de différents supraconducteurs massifs tels que les supraconducteurs à base de Fer ou d’oxydes de cuivre. Les synthèses par four ou par frittage flash ont été utilisés pour synthétiser des supraconducteurs en Fer-Sélénium pour optimiser leurs propriétés et la pureté de la phase supraconductrice. La caractérisation des propriétés supraconductrices et cristallographiques a été réalisés sur les matériaux synthétisés mais également sur d’autres matériaux comme les supraconducteurs REBaCuO (Terra rare, Baryum et oxyde de Cuivre). Différentes méthodes de caractérisation sont présentées dans ce manuscrit comme la magnétométrie à l’aide d’un MPMS-SQUID (Magnetic Property Measurement System, Superconducting Quantum Interference Device), de la cartographie de champs piégés, de la diffraction de rayon X ou bien de la microscopie optique ou à balayage électronique. J’ai également eu l’occasion de faire de la magnétométrie par cantilever sous de fort champs magnétiques allant jusqu’à 33 T sur des supraconducteurs YBaCuO fabriqué par infiltration. Une comparaison des propriétés mesurées avec d’autres matériaux supraconducteurs plus développés a été fait pour déterminer la maturité de cette technologie et sa compétitivité sur les applications potentielles en génie électrique.
Séminaire sur la production d'hydrogène, son stockage et ses applications
Dans le cadre du projet européen Doc-SUM-ECE financé par l’EIT Raw Materials, l’Université KU Leuven (Belgique), l’Université de Lorraine (France), le Centre de Recherche RISE (Suède), l’Université de Liège (Belgique), l’Université RWTH Aachen (Allemagne) et l’Institut de Recherche en Economie, Ressources Minérales et Energie de l’Académie des Sciences Polonaise (Pologne) ont rassemblé douze étudiants en thèse très motivés issus de diverses disciplines et origines géographiques (Espagne, Pologne, Allemagne, France et Estonie) pour réfléchir sur la production durable d’hydrogène. Cette école thématique a permis de sensibiliser ces doctorants à l’entreprenariat, à l'économie circulaire et a permis de leur apporter des compétences et des outils pour contribuer à la mise en œuvre de l'économie circulaire au secteur technologique et rendre les produits et les processus plus circulaires et plus durables. C’est donc dans un environnement pluridisciplinaire que Damien Guilbert (enseignant-chercheur au GREEN) a pu leur donner un séminaire sur la production d'hydrogène, son stockage, ses applications, tout en présentant ses récents travaux et résultats sur ces thématiques.
L’étonnement de Monsieur FARADAY
Michaël FARADAY se pose la question sur la réversibilité du mouvement relatif entre la source du champ et le conducteur dans la première machine électrique. La première intuition, pour lui, voudrait que « faire tourner un disque conducteur dans le champ d’un disque aimanté de même axe est équivalent à faire tourner l’aimant devant le disque conducteur à l’arrêt ». Il n’en est rien, et cela peut se comprendre rapidement, mais c’est l’occasion de revisiter quelques lois fondamentales qui régissent le fonctionnement des machines électriques.
Participation à la conférence internationale sur les systèmes et la commande
Trois enseignants-chercheurs de l'IUT de Longwy, Hugues Rafaralahy et Michel Zasadzinski (équipe de recherche CRAN), et Damien Guilbert (équipe de recherche GREEN), ont participé à la conférence internationale sur les systèmes et la commande (ICSC) qui s'est déroulée à Marseille du 23 au 25 novembre. Ils ont eu l'occasion pour la première fois de présenter conjointement les résultats de leur collaboration sur la caractérisation et la modélisation des comportements d'un électrolyseur lorsqu'il est couplé à une source d'énergie renouvelable. Par ailleurs, cette conférence a permis de nombreux échanges constructifs entre les chercheurs et de nouer de nouveaux contacts dans l'objectif d'initier de nouvelles coopérations sur cette thématique de recherche.
Projet Recherche ECOS
Dans le cadre du projet de recherche ECOS Nord Colombie impliquant des chercheurs de l'IUT de Longwy et de l'IUT de Thionville-Yutz, Damien Guilbert (enseignant-chercheur, équipe de recherche GREEN) a séjourné du 7 au 13 novembre en Colombie pour rencontrer des enseignants-chercheurs de l'Universidad Industrial de Santander (UIS). Il a eu l'occasion de donner un séminaire pour présenter l'IUT de Longwy, son équipe de recherche, mais également ses activités de recherche sur la caractérisation et la commande des électrolyseurs. De nombreux échanges avec les étudiants et les chercheurs ont pu avoir lieu permettant d'ouvrir de nouvelles pistes de collaboration sur le renforcement des activités de recherche autour de l'hydrogène entre la Colombie et la France. La collaboration se poursuivra l'année prochaine avec l'échange d'enseignants-chercheurs colombiens et français.
Caractérisations numérique et expérimentale de défauts structurels dans les rubans supraconducteurs multicouches par thermographie inductive
Les travaux de recherche menés dans le cadre cette thèse concernent la caractérisation de défauts structurels, à température ambiante, dans les rubans supraconducteurs de deuxième génération, dans une démarche contrôle de qualité et de fiabilité. Dans un premier temps, une modélisation magnétothermique bidimensionnel a été développée pour étudier la possibilité d’appliquer le contrôle par thermographie inductive sur les rubans SHT-2G. Par la suite, un banc expérimental est confectionné pour le contrôle des défauts structurels dans les rubans SHT-2G où un inducteur tournant a été préféré aux inducteurs alimentés par des courants afin d’éviter la perturbation thermique générées par ces derniers. Les mesures expérimentales sont soutenues par une modélisation tridimensionnelle à la fois pour des fins de validation mais aussi pour simuler des situations qui ne peuvent pas être reproduites expérimentalement. Le calcul des courants induits dans le ruban SHT-2G, est basé sur une formulation intégro-différentielle en termes de potentiel vecteur électrique, tandis que le champ magnétique source, créé par les aimants tournants, est calculé en utilisant le modèle de charges magnétiques surfaciques. Un modèle thermique, basé sur la méthode des différences finies, est associé au modèle électromagnétique pour le calcul de la température à la surface des échantillons inspectés. Plusieurs types de défauts sont caractérisés numériquement et expérimentalement. Enfin, une évaluation des contraintes mécaniques, générées par la rotation de la roue aimantée dans les rubans inspectés, est effectuée.
Membres du jury :
Président : Jean-Philippe LECOINTE - Professeur, LSEE, Université d'Artois
Rapporteurs :
Gérard BERTHIAU - Professeur, IREENA, Nantes Université
Yann LE BIHAN- Professeur, GeePs, Université Paris-Saclay
Examinaneurs :
Melika HINAJE - Professeur, GREEN, Université de Lorraine
Hocine MENANA - Maître de Conférences, GREEN, Université de Lorraine
Etude de l'intégration d'un stabilisateur/limitateur supraconducteur dans un réseau DC autonome
Les problèmes de stabilité qui existent dans les réseaux DC embarqués sont principalement dus à la présence de convertisseurs de puissance. En effet, dans un réseau DC intégré, l'interaction entre des filtres d'entrée RLC mal amortis et des charges à puissance constante, telles que par exemple des actionneurs alimentés par des onduleurs et des batteries avec des contrôleurs de charge, peut être la source d’une instabilité de la tension du bus DC. Cette instabilité se traduit par une oscillation croissante du courant et de la tension dans les lignes de transmission, ce qui peut conduire à la destruction des composants qui composent le réseau. L'objectif principal de cette thèse est de proposer une nouvelle méthode de stabilisation basée sur un dispositif supraconducteur en exploitant ses propriétés. En effet, les supraconducteurs deviennent résistifs lorsqu'un champ magnétique externe leur est appliqué. Ainsi, en faisant varier le champ magnétique appliqué sur le ruban supraconducteur, son courant critique peut être modifié de sorte que le ruban se comporte comme une résistance dynamique contrôlable par le champ magnétique. En intégrant ce ruban supraconducteur contrôlé par le champ magnétique en série avec le filtre d'entrée d'un réseau DC, la marge de stabilité peut être augmentée en fonction de la puissance demandée par la charge. Afin de pouvoir étudier cette méthode, il est nécessaire de déterminer la résistance du ruban supraconducteur à chaque instant du fonctionnement du réseau. Cette résistance est non linéaire et dépend de la température, du courant et du champ externe Rsc(T;I;Bext). Pour ce faire, dans un premier temps, un modèle multiphysique est proposé. Ce modèle est développé dans un outil numérique permettant la simulation du système dans différents régimes (stationnaire et transitoire). Il est ensuite inséré dans un réseau DC équivalent d'un avion plus électrique pour étudier la méthode proposée. La difficulté de cette nouvelle méthode de stabilisation réside dans la possibilité pratique de faire varier dynamiquement la résistance du ruban supraconducteur par un champ magnétique externe sans emballement thermique en vue d'avoir une résistance par unité de longueur suffisante pour pouvoir stabiliser un réseau DC. Afin de valider expérimentalement le principe de la méthode, il est proposé le dimensionnement, la conception et la caractérisation d'un inducteur magnétique pour créer un champ magnétique variable qui permettra de réaliser des mesures expérimentales sur un ruban supraconducteur. Les résultats expérimentaux, obtenus sur un banc d'essai au sein du laboratoire GREEN, ont permis de valider le principe de la méthode proposée. Ils nous ont également permis de tirer plus de conclusions sur le comportement dynamique du stabilisateur supraconducteur sous un champ magnétique externe.
devant un jury composé de :
Mme HENAUX Carole, Professeur, Université de Montpellier-Laboratoire IES, Rapporteur
M. AMARA Yacine, Professeur, Université du Havre-Laboratoire GREAH, Rapporteur
M. TOUNZI Abdelmounaim, Professeur, Université de Lille-Laboratoire L2EP, Examinateur
M. QUEVAL Loïc, Maître de Conférences, Université Paris-Saclay-Laboratoire GEEPS, Examinateur
M. NETTER Denis, Professeur, GREEN, Directeur de thèse
M. didier gaëtan, Maître de Conférences, GREEN, Co-directeur de thèse
M. BONNARD Charles-Henri, Maître de Conférences, GREEN, Invité
Larbi Dahnoun, 23 ans, est diplômé de l’ENSEM, école d’ingénieurs spécialisée en électricité et en mécanique. Parallèlement à sa formation ingénieur, Larbi a également obtenu un Master 2 Management et Administration des Entreprises proposé par l’IAE Nancy School of Management. Larbi poursuit ses études ; il est actuellement doctorant (thèse CIFRE) au sein du GREEN et SAFRAN TECH à Magny-les-Hameaux.
Le GREEN renoue avec l’animation scientifique interne et organise son séminaire scientifique annuel en plein air au Golf de Pulnoy à côté de Nancy. Ce fut l’occasion de se retrouver, pour des échanges scientifiques enrichissants, dans un cadre agréable durant un après-midi ensoleillé. Cette demi-journée dense et intense en échanges scientifique, s’est poursuivie par une séance détente sur le Green du Golf où les membres du GREEN ont fait leurs premiers pas d’initiation au golf.
Programme scientifique :
- Noureddine Takorabet : Informations générales.
- Lamia Belguerras : Moteurs compatibles IRM.
- Quentin Nouailhetas : Etudes des massifs supraconducteurs, synthèse, caractérisation et application.
- Larbi Dahnoun : Étude des contraintes mécaniques dans les rotors des machines haute vitesse.
- Walid Dirahoui : Caractérisation de défauts structurels dans les rubans supraconducteurs multicouches par thermographie inductive.
