2 Energy 2.1 Power networks • What value for reactive power production? 34 2.2 Power electronics • Three phase active filter 36 2.3 Electrical machines, drives and generation systems • Optimisation of a linear motor drive and the associated power supply 38 2.4 Modeling of Electromagnetic systems: Materials, EMC, CAD and NDT • Giant magnetostrictive materials characterisation and modelling 40 2.5 Electrical Contacts • Nanomodifications on the surface of molecular conductors 42 2.6 Aerosol and atmospheric pressure electrical discharge processes • Nucleation and thin SiOx film deposition by Dielectric Barrier Discharges at Patm 44 2.7 Insulating materials and partial discharges •Non-thermal plasma chemistry contribution to partial discharges detection in medium voltage equipments 46 32 2 Énergie 2.1 Réseaux d’énergie • Valorisation des services Systèmes : que vaut la production de puissance réactive ? 34 2.2 Électronique de puissance • Un filtre actif pour réseau triphasé utilisable en tant que source de secours 36 2.3 Machines électriques et systèmes de conversion • Optimisation d'un actionneur linéaire et de son électronique d’alimentation 38 2.4 Modélisation de systèmes électro-magnétiques : matériaux, CEM, CAO et CND • Caractérisation et modélisation des matériaux à magnétostriction géante 40 2.5 Contacts électriques • Nanomodifications à la surface de conducteurs moléculaires 42 2.6 Procédés aérosol et décharges électriques à pression atmosphérique • Nucléation et dépôt de couches minces de SiOx par Décharges à Barrières Diélectriques à pression atmosphérique 44 2.7 Matériaux isolants et décharges partielles • Apports de la chimie des plasmas froids à la détection de décharges partielles dans des dispositifs électrotechniques moyenne tension 46 33 2.1 Réseaux d’énergie Power networks 2 Énergie Energy Objectifs Aims Systèmes de plus en plus complexes, alimentant des charges elles-mêmes de plus en plus exigeantes, les réseaux d’énergie sont omniprésents sur le territoire des pays industrialisés, dans les sites industriels, mais aussi dans les systèmes embarqués (voitures, avions, navires) où les générateurs, moteurs et actionneurs électriques sont de plus en plus utilisés. La maîtrise des régimes de fonctionnement perturbés et la conception de relais de protection sûrs et sélectifs mais aussi de systèmes intelligents de contrôle-commande et de gestion de réseau contribuent à augmenter à la fois la fiabilité des réseaux d’énergie et la qualité du produit « électricité ». Dans le contexte actuel d’ouverture à la concurrence des marchés de l’électricité, l’optimisation technico-économique des grands systèmes électriques avec les nouvelles règles économiques et les opportunités technologiques en matière de production délocalisée ou de Power transmission and distribution systems today are becoming increasingly sophisticated. They feed loads which themselves require ever higher levels of power quality. Mastering disturbed operating conditions, however, and designing efficient and selective protection relays as well as intelligent remote control and operating systems, can further contribute to increasing the reliability of power systems and to improving the quality of the so-called “electricity” product. Within the current context of growing competition throughout the European electricity market, the optimisation of large power systems taking into account new economic rules along with the new opportunities which have opened up in the field of dispersed power plants and energy storage, environmental constraints notwithstanding, will undoubtedly become a real challenge in the future. stockage d’énergie constitue un réel enjeu, dans un secteur où les contraintes environnementales ne peuvent plus être négligées. Pour tout renseignement s’adresser à : For further information, please contact: Sujets 1 à 4 / Topics 1 to 4: Département Électrotechnique et Systèmes d’Énergie Campus de Gif Marc PETIT Tél. : +33 [0]1 69 85 15 33 E-mail : [email protected] Sophie PLUMEL Tél. : +33 [0]1 69 85 15 20 E-mail : [email protected] Sujet 5 / Topic 5: Gérard BERGER LPGP - Équipe DEE Campus de Gif Tél. : +33 [0]1 69 85 17 96 E-mail : [email protected] Sujets Topics 1. Simulation numérique et conception de logiciels Régimes transitoires de défaut. Grands réseaux maillés : couplage technicoéconomique et optimisation. 1. Digital simulation and software design 2. Protections numériques Conception d’algorithmes de protection neuromimétiques. Conception de protections directionnelles sans mesure de tension. Localisation des défauts dans des réseaux de distribution. 2. Digital relaying Design of neural-network based digital relaying algorithms. Design of directional relays without voltage measurements. Fault location in distribution radial networks. 3. CEM et qualité de l’énergie Production éolienne et qualité de l’énergie (flicker, harmoniques, …). 3. EMC and power quality Wind power plants and power quality (flicker, harmonics, etc.). Reliability of distribution networks. Fiabilité des réseaux de distribution. 4. Optimisation technico-économique des grands réseaux Projet €nergie : www.supelec.fr/ecole/eei/energie Tarification du transport d’énergie. Gestion des congestions (« market splitting », « spot pricing », etc.). Valorisation du stockage sur réseau. Conception et analyse de règles de marché. Valorisation des services « systèmes ». Economie expérimentale. 5. Foudre Protection des structures par paratonnerres. Phénoménologie de la foudre et ses aspects climatiques, notamment en milieu tropical. Analyse de l'efficacité des réseaux de détection et localisation des éclairs. 34 Fault transients. Operation of large power systems: technical and economic optimisation. 4. Technical and economic optimization of large power networks €nergie Project: www.supelec.fr/ecole/eei/energie Electricity transmission pricing. Management of congestions (market splitting, spot pricing, etc.). Economic impact of energy storage in a power system. Market design. Economic analysis of ancillary services. Experimental economics. 5. Lightning Protection of structures with lightning rods. Lightning phenomenology and its climatic aspects, especially in tropical climates. Efficiency of lightning detection network. Réseaux d’énergie / Power networks Valorisation des services Systèmes : que vaut la production de puissance réactive ? What value for reactive power production? Abstract Par Martin Hennebel et Sophie Plumel Liberalization of electricity markets has led to an economical (at least) separation between production and transmission. So new interface rules have to be defined. This work aims at defining if a sound economical value of reactive power can be assessed. The methodology values the reactive power production of an alternator by assessing the investment costs it prevents the Transmission System Operator from. Transport/Production d’électricité : de nouvelles règles à définir Transmission System). Ces investissements sont réalisés sur des nœuds de connexion du réseau de transport dont le niveau de tension permet l’installation de ces dispositifs. La compensation d’un générateur situé dans une zone où il existe beaucoup de capacité disponible ne nécessitera pas d’investissements importants. Au contraire, s’il est situé dans une zone en déficit de production, le GRT devra investir en moyens de compensation pour maintenir la tension dans la plage L’ouverture à la concurrence du marché de l’électricité a conduit à la séparation entre les entreprises de transport, qui sont par nature des monopoles locaux voire nationaux, et les entreprises de production. Cette séparation doit s'accompagner de la définition des rôles et des responsabilités de chacun. Ainsi, les générateurs prennent part au bon fonctionnement du système électrique en fournissant ce qui est appelé : les « services systèmes ». Nous pouvons citer parmi ceux–ci la participation au réglage de la fréquence, qui permet d’équilibrer en temps réel la production et la consommation ou bien encore la participation au réglage de tension par la fourniture ou l’absorption de admissible. La valeur équivalente en moyens de compensation du générateur sera alors plus forte. puissance réactive. Le réglage de la tension nécessite un pilotage par le Gestionnaire du Réseau de Transport (GRT) de l’ensemble des moyens de compensation du système, dont font partie les capacités de production de puissance réactive des centrales. Valorisation de la production de puissance réactive Cette participation au réglage de la tension a un coût pour les producteurs : la production de puissance réactive par un groupe de production nécessite notamment de sur-dimensionner l’alternateur et le transformateur élévateur. Les producteurs doivent donc être rétribués en conséquence. Néanmoins, les besoins en capacités de production de puissance réactive étant très locaux, il peut être judicieux de fournir un signal économique pertinent incitant à l’investissement en moyens de production dans les zones où ces capacités sont en déficit. L’objectif de l’étude est de déterminer si une valeur économique pertinente peut être attribuée à la production de puissance réactive. La méthodologie développée consiste à déterminer, à l’aide d’un optimiseur, le volume de moyens de compensation statiques qui serait nécessaire pour remplacer le générateur considéré s'il ne fournissait pas de puissance réactive. Ce calcul est purement théorique et a pour but de classer les générateurs selon la "valeur" relative de leur capacité à produire de la puissance réactive. La figure 1 montre qu’il est plus avantageux d’installer des bancs de condensateurs au niveau de la charge plutôt que de produire de la puissance réactive depuis un générateur éloigné. L’efficacité relative de la localisation des moyens de production apparaît simplement sur ce schéma. Sur un réseau maillé, il est possible de mesurer l’efficacité de la puissance réactive injectée en un nœud en la comparant à la quantité minimale de condensateurs que devrait théoriquement installer le GRT sur des nœuds du réseau de transport si le générateur venait à faire défaut. En effet, pour remplacer la capacité de production de réactif d’un générateur, l'optimiseur va dans un premier temps faire appel aux autres centrales à proximité qui, disposant de capacités en réserve (coût nul pour l’optimiseur), peuvent continuer à assurer la fourniture, et dans un deuxième temps investir en moyens de compensation statiques (coût élevé pour l’optimiseur) tels que des bancs de condensateurs ou bien des FACTS (Flexible Alternative Current Figure 1 : Capacités équivalentes générateur-condensateur pour une charge alimentée en antenne par une ligne de 100 km Ces valorisations sont réalisées sur des modèles de réseau faisant apparaître des contraintes de production de puissance réactive telles que : • niveaux de charge élevés ; • zones en déficit de production ; • prise en compte d’incidents (critère du N-1) ; • respect des niveaux de tension réglementaires. Les investissements ainsi déterminés permettent de donner une valeur théorique relative de la capacité réactive du groupe étudié, valeur tenant compte de sa localisation sur le réseau, des capacités disponibles sur les autres groupes et de sa capacité disponible. ..................................................................................................................................... Références / References [1] W. Xu, Y. Zhang, L. C. P. da Silva, P. Kundur, A. A. Warrack, “Valuation of Dynamic Reactive Power Support Services for Transmission Access”, IEEE transactions on Power Systems, Vol 16, No. 4, November 2001. 35 2.2 Électronique de puissance Power electronics 2 Énergie Energy Objectifs Aims L'électronique de puissance constitue un moyen et non une fin. Un convertisseur doit s'adapter à un système et non l'inverse. Il doit être fiable, facile à industrialiser au moindre coût, et conforme aux normes en vigueur, notamment en matière de compatibilité électromagnétique. Dès lors, il nous a semblé opportun de rechercher des principes de conversion, des topologies et des technologies aptes à minimiser le nombre de composants, les contraintes qui leur sont appliquées et les perturbations électromagnétiques. En outre, le choix d'une fréquence de découpage élevée, rendu possible par diverses techniques de commutation douce, nous paraît propice à la réalisation de convertisseurs compacts et rapides. Power electronics are a means, not an end. Thus a converter must be adapted to a system and not the other way around. It must be reliable, easy to industrialize at the lowest cost, and it must comply with current standards, especially those regarding electromagnetic compatibility. Therefore, in our study, we found it suitable to look for conversion principles, topologies and technologies capable of minimizing the number of components, any constraints applied to them as well as electromagnetic disturbances. In addition, the choice of a high switching frequency, made possible by using various soft switching techniques, was found to be the most appropriate for producing fast, compact power supplies at low cost. Sujets Topics 1. Conception et réalisation de convertisseurs à commutation douce : Alimentations en courant continu fonctionnant au 1. Design and development of soft switching converters: DC power supplies working beyond 1MHz for telecom- delà de 1MHz pour les télécommunications (exemples : forward 100 W, demi-pont 500 W, pont 2000 W). Alimentations en courant continu de très faible puissance (exemple : alimentation 1 W avec correction du facteur de puissance). Alimentations en courant continu sous faible tension, à rendement élevé, dont certaines fiabilisées pour l'aéronautique. Alimentations en courant alternatif sous tension élevée pour tubes fluorescents et pour tubes à rayons X. Onduleur BF à transformateur HF (exemple : 50 Hz / 500 kHz / 500 W). munications (examples: forward 100 W, half bridge 500 W, bridge 2000 W). Very low power DC supplies (example: a very small 1 W converter with power factor correction). High efficiency low voltage DC power supplies among which some very reliable converters for aeronautics. High voltage AC power supplies for fluorescent lamps and for X-rays tubes. Low frequency inverter with high frequency transformer (example: 50 Hz / 500 kHz / 500 W). 2. Conception et réalisation de convertisseurs à absorption sinusoïdale : Correcteurs de facteur de puissance monophasés et triphasés pour le réseau public et pour l'aéronautique. Structures assurant les fonctions de correction et d'alimentation continue en un seul étage avec un unique transistor. Structure assurant les fonctions de filtre actif, de chargeur de batterie et d'onduleur de secours en un seul étage. Pour tout renseignement s’adresser à : For further information, please contact: Daniel SADARNAC Département Électrotechnique et Systèmes d’Énergie Campus de Gif Tél. : +33 [0]1 69 85 15 07 E-mail : [email protected] 3. Modélisation de convertisseurs : Modélisation en régime de variations lentes et de faible amplitude des convertisseurs continu / continu en vue de les intégrer dans une boucle de régulation (de la tension de sortie, du courant débité, du courant consommé…). Prise en compte de l’environnement des convertisseurs (filtre d’entrée, nature de la charge…) en vue de proposer des règles de stabilité utiles au dimensionnement des convertisseurs. 36 2. Design and development of converters with sinusoidal absorption: Single-phase and three-phase power factor correctors for the public network and the aeronautics industry. Single-stage topologies ensuring the functions of a power factor corrector and DC power supply with only one transistor. Single-stage topology ensuring the functions of an active filter, battery charger and AC uninterruptible power supply. 3. Converters modelling Slow variations and low signal DC/DC converters modelling in order to integrate them in a control loop (control of the output voltage, output current, input current...). Modelling of the converter environment (input filter, load...) in order to propose stability rules useful for dimensioning the converters. Électronique de puissance / Power electronics Un filtre actif pour réseau triphasé utilisable en tant que source de secours Three phase active filter Abstract Par Daniel Sadarnac, Charif Karimi et Rafaël Ordonez The use of apparatuses and electrical equipment that behave as nonlinear loads due to their power electronics components are in state of growth, degrading the mains voltage integrity and producing distortion of line current, thereby causing disturbance for other users. The main measurement variables of these disturbances are the total harmonic distortion and the power factor (PF). A unitary PF means an optimal consumption of energy. Equipment like power factor correctors, static compensators and power active filters are designed to correct these variables. Moreover, the energy storage elements associated with power electronics allows to maintain the load energy constant. An active filter that corrects the PF to unity under any conditions of the mains voltage and provides energy to the load in the case of a mains failure has been designed. des variateurs de vitesse industriels. Ce problème se pose également au niveau des réseaux embarqués : l’équipement électronique d’un avion ou d’un bateau ne cesse de croitre. courant efficace consommé est minimal. Si les tensions du réseau sont sinusoïdales, alors les courants doivent aussi être sinusoïdaux, en phase avec les tensions simples : c’est dans ces conditions que le réseau est le moins perturbé. Cependant, les tensions étant toujours un peu distordues, le facteur de puissance optimal n’est atteint que si les courants sont de mêmes formes et en phase avec les tensions : c’est ce qui a constitué notre objectif. Lorsque tensions ou courants sont distordus, la notion de puissance «réactive» n’a aucun sens. Nous avons donc utilisé celle de puissance « non active » : à tout instant, il s’agit de la différence entre la puissance consommée par la charge et la puissance qui devrait être appelée au réseau pour que le facteur de puissance soit égal à 1 (courants proportionnels aux tensions). Le rôle du filtre actif con- Si l’électronique de puissance peut être une source non négligeable de perturbations électriques, voire électromagnétiques, elle peut aussi être mise à profit pour les réduire. Les correcteurs de facteur de puissance et les filtres actifs agissent en ce sens. L’électronique de puissance associée à des éléments de stockage d’énergie permet aussi de pallier à des défaillances du réseau. Nous avons décidé de regrouper ces deux potentialités de l’électronique en un seul convertisseur. Nous avons conçu et réalisé (figure 1) un filtre actif triphasé capable d’a- siste ainsi à fournir la puissance non active nécessaire au fonctionnement de la charge. Le contrôle des huit transistors du filtre est assuré par un microcontrôleur. Sans rentrer dans le détail des réalisations, la figure 2 illustre un exemple : les tensions sont distordues ; Z1 et Z2 sont des redresseurs débitant sur charge inductive ; Z3 est une charge passive. Nous constatons que les courants ont bien la même forme que les tensions, à l’ondulation près due au découpage. Dans tous les secteurs de l’économie, des appareils et équipements électriques se comportant comme des charges non linéaires sont connectés au réseau public. Le secteur résidentiel est également concerné. Il peut s’agir de machines électriques mais il s’agit de plus en plus souvent d’électronique de puissance susceptible de dégrader la tension du réseau, donc de perturber les autres utilisateurs (gradateurs de lumière, redresseurs…). La puissance des équipements incriminés est variable, elle peut être modeste mais les installations peuvent être nombreuses : quelques dizaines de watts pour chacun des millions de téléviseurs ou de chargeurs pour téléphones portables, jusqu’à quelques mégawatts pour gir également en onduleur de secours pour une puissance de 2 kW. Utilisé en tant que filtre ou en tant qu’onduleur, il s’adapte à toute charge équilibrée ou non. Le neutre est disponible. Figure 2 : Formes d’ondes au niveau du réseau ..................................................................................................................................... Références / References Figure 1 : Schéma de principe [1] R. Ordonez, D. Sadarnac, « Single-phase Non-active Power Compensator for Residential Facilities under Non-sinusoïdal Conditions », 15th International Conference on Electronics, Communications and Computers (CONIELCOMP), 28 février-2 mars 2005, Puebla (Mexique). La charge est représentée sous la forme de trois impédances Z1, Z2, Z3. L’onduleur comporte quatre bras pour contrôler les courants dans les trois phases et le neutre. Il est connecté en parallèle avec l’installation électrique pour prélever au réseau des courants de forme optimale ou pour se substituer à lui. La première étape de la conception a consisté à déterminer la forme optimale pour les courants dans le réseau. Un critère concerne le facteur de puissance. Le facteur de puissance optimal est 1 : c’est pour cette valeur que le [2] R. Ordonez, D. Sadarnac, C. Karimi, “Simple Hystérésis Describing Technique to Control a Non-active Power Compensator”, 36th Power Electronics Specialists Conference (PESC), 12-16 juin 2005, Recife (Brésil). 37 2.3 Machines électriques et systèmes de conversion Electrical machines, drives and generation systems 2 Énergie Energy Objectifs Aims Du fait de la souplesse de l’énergie électrique et de la qualité de son traitement par les dispositifs convertisseurs, les applications des systèmes électriques sont de plus en plus performantes. Des appareils spécifiques sont conçus pour de nouvelles applications et des évolutions permettent de s’adapter aux nouvelles contraintes. Parallèlement, les outils d’analyse des phénomènes régissant le comportement des appareils procurent une meilleure précision lors de la définition des dimensions et des caractéristiques. Le matériel peut donc évoluer en améliorant ses performances et en réduisant ses dimensions et son coût par une conception ajustée aux spécifications. Les applications des machines électriques se développent et font souvent appel à la conception spécifique pour répondre au mieux à un cahier des charges directement défini par l’application et le secteur industriel concerné : production, transport (aéronautique, naval, automobile), domestique, … Thanks to the flexibility of the electric energy and to the quality of power converters, the applications using electrical machines perform evermore effectively. Some specific systems can be designed for new applications while some evolution make the adaptation to new constraints possible. At the same time, the tools available for the analysing system performances increase the accuracy of physical dimensions and characteristics. As a consequence of a more well-balanced design, the equipment can be modified to improve its intrinsic performances and can be of reduced dimensions. For all these reasons, the use of the electrical machines (rotation or linear) is increasing in number and often involves a specific design in order to fit as well as possible the specifications which directly depend on the kind of application and on the domain concerned: production, transport (aircraft industry, automobile, naval), house appliance,… Sujets Topics 1. Conception et optimisation d’actionneurs Conception de moteurs utilisant de la poudre de fer agglomérée. Conception et optimisation d’actionneurs intégrés à course rectiligne. 1. Design and optimisation of electrical actuators Design of electrical machines with armature made of compressed iron powder. Design and optimisation of embedded linear-type actuators. 2. Conception et réalisation de systèmes Méthodes de synthèse, de simulation et d’analyse pour la conception de systèmes de motorisation. Optimisation globale de la chaine de conversion de l’énergie. Exemple : conception et réalisation d’une électropompe pour satellite. Pour tout renseignement s’adresser à : For further information, please contact: Sujets 1 à 2 / Topics 1 to 2: Jean-Claude VANNIER Département Électrotechnique et Systèmes d’Énergie Campus de Gif Tél. : +33 [0]1 69 85 15 01 E-mail : [email protected] Sujet 3 à 4 / Topics 3 to 4: Claude MARCHAND LGEP Campus de Gif Tél. : +33 [0]1 69 85 16 58 E-mail : [email protected] 2. Drive design Analysis, synthesis and simulation methods to design embedded electrical drive applications. Global optimisation of the electrical energy conversion chain. Example: Design and realisation of an electro-pump for satellite application. 3. Modélisation fine et outils d’aide à la conception de machines électriques Développement de modèles multiphysiques analytique et numériques (éléments finis) de systèmes électromagnétiques. Outils de CAO de machines à aimants ou machine à réluctance variable 3. Accurate modelling of electrical machines and CAD tools Finite element-type or circuit-type models development of synchronous, induction and reluctance machines accounting the non linear phenomena. CAD tools for permanent magnet machines or switched reluctance machines. 4. Amélioration des performances dynamiques et énergétiques et de la sureté de fonctionnement Développement de lois de commande nonlinéaires et robustes Réduction du nombre de capteurs par l’utilisation d’observateurs et d’estimateurs. Commande en mode dégradé et reconfiguration de loi de commande. Gestion de l’énergie dans les systèmes embarqués. 4. Improvement of dynamic and energetic performances and reliability Design of robust and non linear control laws of static converters and electrical machines. Reduction of the number of sensors by using state observers or estimators. Fault tolerant control architecture. Energy management in the embedded systems. 38 Machines électriques et systèmes de conversion / Electrical machines, drives and generation systems Optimisation d'un actionneur linéaire et de son électronique d’alimentation Optimisation of a linear motor drive and the associated power supply Abstract Par Philippe Dessante et Jean-Claude Vannier This drive consists of a voltage supplied brushless motor, a lead screw transformation system, a power supply and its associated DC source. In order to reduce the cost and the weight of this drive an optimisation of the main dimensions of each component considered as an interacting part of the whole system is conducted. With this procedure, the optimisation is no longer limited to the fitting between separated elements but is extended to the system whose parameters are issued from the primitive design parameters of the components. The volume and weight optimisation of an electrical drive is an important issue for embedded applications. Où R et L sont respectivement le rayon et la longueur du moteur, est le rapport de transformation et la masse volumique. Fdyn , Fsta et fave sont les forces dynamique, statique et moyenne nécessaires au mouvement de la charge et m est la masse de cette dernière. Les contraintes imposent que les couples moyen et de pointe, la puissance mécanique et la vitesse de rotation du moteur (en fonction du rapport de transformation) permettent le mouvement de la charge demandé dans les spécifications du système. On ajoute des contraintes d’ordre géométrique tel qu’un rapport entre le rayon et la longueur du moteur. Présentation du système Le système étudié ici est une chaîne de motorisation linéaire comprenant un moteur sans balais connecté à un réducteur de vitesse et à une vis sans fin. Le moteur est connecté à une alimentation électrique. Ce système sert à déplacer une charge de manière linéaire et est représenté sur la figure 1. Le but de cette étude est de minimiser la masse totale du système. En effet il est devenu de plus en plus critique pour les applications spatiales, automobiles et de hautes technologies de minimiser la masse et le volume des systèmes embarqués. Pour effectuer cette optimisation globale, il nous faut prendre en compte tous les éléments de la chaîne de motorisation, de l'alimentation électrique à la vis sans fin. Les appareils sont donc modélisés sous forme d'équations mathéma- Résultats de l’optimisation tiques qui représentent les contraintes physiques (nécessité d'appliquer un mouvement à la charge) et les contraintes géométriques (forme du moteur...). La minimisation mathématique est alors réalisée à l'aide de diverses techniques d'optimisation. Figure 2 : Masses en fonction du rapport de transformation Sur la figure 2, sont représentées les différentes masses du système en fonction du rapport de transformation maximum autorisé lors de la définition des contraintes. La masse totale du système est une fonction décroissante du rapport de transformation. Pour des rapports faibles, la masse du moteur est prépondérante dans la masse totale, plus le rapport augmente, plus la part du réducteur de vitesse croît. Lorsqu’elle devient égale à celle du moteur, la décroissance de la masse s’arrête et elle devient constante en fonction du rapport de transformation. Figure 1 : Représentation de la chaîne de motorisation Contraintes et fonction objectif La fonction objectif choisie ici donne la masse du système dans son ensemble. Il s’agit donc de la masse du moteur, du réducteur de vitesse et de la vis sans fin et enfin de l’électronique associée : ..................................................................................................................................... Finalement la masse totale du système est donnée par : Références / References [1] Ph. Dessante, J.C. Vannier, Ch. Rippoll, “Optimisation of a Linear Brushless DC Motor Drive”, ICEM 2004, September 2004. [2] Ph. Dessante, J.C. Vannier, P. Vidal, “Optimisation of a linear brushless DC motor drive and the associated power supply”, AES 2005, October 2005. [3] E. Macua, Ch. Ripoll, J.C. Vannier, “Optimisation of a brushless Dc Motor Load Assiciation”, EPE’03, 10th European Conference on Power Electronics and Application, pp. 650-536, Toulouse France, September 2003. 39 2.4 Modélisation de systèmes électromagnétiques : matériaux, CEM, CAO et CND Modeling of electromagnetic systems: Materials, EMC, CAD and NDT Pour tout renseignement s’adresser à : For further information, please contact: LGEP Campus de Gif Sujets 1 à 4 / Topics 1 to 4: Frédéric BOUILLAULT Claude MARCHAND Lionel PICHON Adel RAZEK Tél. : +33 [0]1 69 85 16 55 E-mail : [email protected] 2 Énergie Energy Objectifs Aims Les études effectuées dans le domaine de la modélisation électromagnétique visent à rendre compte de phénomènes physiques complexes en minimisant le recours à l'expérimentation et la multiplication des prototypes. Les modèles physiques simulés sur ordinateur peuvent fournir des informations, soit sur des grandeurs que l'on ne peut mesurer lors des expériences, soit sur les résultats que l'on pourrait obtenir si l'on réalisait l'expérience représentée par le modèle correspondant. La modélisation de systèmes électromagnétiques contribue ainsi à répondre à un besoin industriel relatif à de nombreux problèmes : réduction du coût et de la consommation d'énergie, optimisation de la performance et de la robustesse, respect de contraintes électriques, mécaniques, thermiques, acoustiques... Les domaines d’applications sont variés : CAO, CEM, CND de structures critiques... Les travaux de recherche ont pour objectifs : The studies realized in the field of the modeling of electromagnetic systems aim to take into account complex physical phenomena while minimizing the use of experimentation and the realization of prototypes. The simulated physical models can provide information dealing with non-measurable quantities or with some results that can be obtained if the experiment would be performed. The modeling of electromagnetic systems contributes to satisfy industrial requirements relative to different problems: reduction of cost and consumption, optimization of performance and robustness, respect of constraints of different origins: electrical, mechanical, thermal, acoustic… The fields of application are various: CAD, EMC, NDT of critical structures… The research works have as general goals: • elaboration of numerical formulations and methods to be well adapted for electromagnetic field computation; • modeling of phenomena governed by coupled equations; • l’élaboration des formulations et des méthodes les mieux adaptées au calcul numérique des champs électromagnétiques ; • la modélisation de phénomènes régis par des systèmes d'équations couplées ; • l’application à des problèmes concrets ; • le développement de recherches permettant une prise en compte plus fine de lois de comportement de matériaux en génie électrique ; • la modélisation des actionneurs électriques. • study of practical examples; • development of researches dealing with the modeling of constitutive law of materials used in electrical engineering; • modeling of electrical actuators. Sujets Topics 1. Modélisation de matériaux Lois de comportement de matériaux : "microondes", supraconducteurs, matériaux actifs. Homogénéisation de matériaux composites. 1. Material Modeling Constitutive laws of materials: "microwaves", superconductors, smart materials. Homogenization of heterogeneous materials. 2. Compatibilité électro-magnétique Modélisation 3D des couplages électromagnétiques. Simulation hybride champ-circuit pour les études de susceptibilité électromagnétique. Caractérisation du rayonnement des circuits imprimés de puissance. 2. Electromagnetic compatibility 3D Modeling of coupling between electromagnetic fields and structures. Coupled field-circuit simulation for electromagnetic susceptibility. Radiation from power PCB. 3. Conception assistée par ordinateur de systèmes Développement d’outils logiciels d’aide à la conception de machines par une approche multi physique. Deux plateformes : • Machine à Réluctance Variable ; • Machine Synchrone à Aimants Permanents. 4. Diagnostic et contrôle non destructif Modélisation, conception et caractérisation de capteurs. Contrôle non destructif de matériaux : reconstruction de paramètres physiques et géométriques ou de défauts. Applications au domaine de l’aéronautique. 40 3. Computer aided design of systems Development of CAD tools for electric machine design by a multiphysic approach. Two platforms: • Switched Reluctance Machine; • Permanent Magnet Synchronous Machine. 4. Diagnosis and non destructive testing Modeling, design and characterization of sensors. Non destructive testing of materials: reconstruction of physical and geometrical parameters or flaws. Applications in the aircraft industry. Modélisation de systèmes électromagnétiques / Modeling of electromagnetic systems Caractérisation et modélisation des matériaux à magnétostriction géante Giant magnetostrictive materials characterisation and modelling Abstract Par Nicolas Galopin Laurent Daniel et Frédéric Bouillault Optimal design of giant magnetostriction based devices requires a better understanding of the mechanisms responsible for magnetomechanical coupling phenomena. Progresses in that field supposes the combination of both experimental and theoretical approaches. Macroscopic and multiscale models are developed to describe magneto-mechanical couplings, and their identification and validation is driven thanks to fully coupled experiments. Phénomènes de couplage magnéto-mécanique Modélisation macroscopique Les phénomènes de couplage magnéto-mécanique dans les matériaux magnétiques présentent deux manifestations principales. La première de ces manifestations est l’effet des contraintes sur le comportement magnétique : l’application d’une sollicitation mécanique modifie les propriétés magnétiques, ce qui conduit généralement à une baisse de rendement dans les systèmes électromagnétiques de conversion d’énergie. La deuxième manifestation est la déformation de magnétostriction, qui est la déformation Un modèle de comportement des phénomènes de couplage magnétomécanique a été proposé [1]. Nous avons à partir de considérations thermodynamiques développé un modèle macroscopique intégrable facilement dans un logiciel de calcul par éléments finis. L’identification des différents paramètres de ce modèle ne nécessite que deux courbes expérimentales : le relevé du champ magnétique et de la déformation de magnétostriction en fonction de l’induction magnétique à contrainte mécanique nulle. Le modèle spontanée induite dans les matériaux ferromagnétiques par la présence d’un champ magnétique. Cette déformation permet notamment la fabrication d’actionneurs ou de capteurs magnétostrictifs qui transforment un signal magnétique en déplacement, ou inversement. La modélisation fine de ces phénomènes de couplage magnéto-mécanique est encore un sujet ouvert. a été appliqué à un dispositif innovant de contrôle de force, basé sur l’utilisation de Terfenol-D. Modélisation multi-échelle Conscient de la nécessité d’un dialogue fort entre expériences et modélisation pour la compréhension des phénomènes de couplage magnétomécanique, le Laboratoire de Génie Electrique de Paris (LGEP) s’est doté d’une plate-forme de caractérisation du comportement des matériaux actifs. Cette plate-forme (fig. 1) est notamment constituée d’une machine de traction électromécanique permettant l’application d’un effort contrôlé Afin de répondre à certaines limitations des modélisations macroscopiques et en particulier leur faible caractère prédictif, les chercheurs du thème « Matériaux fonctionnels » travaillent également sur une modélisation de type micro-macro pour décrire ces phénomènes couplés [2]. Plutôt que de tenter de relier directement réponses et sollicitations macroscopiques, l’idée consiste, à travers un processus de changement d’échelle, à exprimer les sollicitations à une échelle (dite locale) à laquelle les mécanismes physiques responsables du phénomène observé sont plus facilement modélisables. La loi de comportement local est ainsi plus simple à définir, et une transition d’échelle micro-macro permet de définir in sur des échantillons magnétiques. Le banc de mesure est complété par un système d’excitation magnétique qui permet l’application d’un champ magnétique. L’effort appliqué et le champ magnétique appliqué sont fine le comportement macroscopique. Les deux étapes fondamentales de ce type de démarche concernent, d’une part, la définition des règles de transition d’échelles, fortement dépendantes de la microstructure du mesurés respectivement à l’aide d’un capteur d’effort et d’une sonde à effet Hall. La réponse à cette sollicitation magnéto-mécanique est mesurée simultanément : l’induction à l’aide de bobines de mesure de flux (B-coil) et la déformation à l’aide de jauges de déformation. matériau étudié et, d’autre part, la définition du comportement local. Plate-forme de caractérisation Si le domaine d’application visé concerne prioritairement les matériaux à magnétostriction géante, la démarche est transposable à tous les matériaux ferromagnétiques. L’étude selon ces méthodes - expérimentales et numériques - d’autres types de matériaux actifs, en particulier les matériaux piézoélectriques, est également envisagée. ..................................................................................................................................... Références / References [1] K. Azoum, M. Besbes, F. Bouillault, “Three dimensional finite element model of magnetostriction phenomena using coupled constitutive laws” International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics, IOS Press, pp. 367-371, 2004. [2] L. Daniel, O. Hubert, R. Billardon, “Homogenisation of magneto-elastic behaviour : from the grain to the macro scale”, Computational and Applied Mathematics, 23(2-3), pp. 285-308, 2004. Figure 1 : Plate-forme de caractérisation des matériaux actifs 41 2.5 Contacts électriques Electrical Contacts 2 Énergie Energy Objectifs Aims Les problèmes de fiabilité, d’usure et de coûts constituent les principales préoccupations des industriels. Dans le domaine des contacts électriques bas niveau (CEBN), les défaillances sont dues à des phénomènes tribologiques et physico-chimiques. Dans le domaine des contacts de puissance (CP), les échauffements et les arcs jouent des rôles importants. Les augmentations de la durée de vie et de la résistance à la corrosion des CEBN sont des objectifs prioritaires. Les déterminations des caractéristiques physico-chimiques des surfaces et de leurs caractéristiques topographiques et électriques sont des moyens d’étude indispensables dans notre domaine. Avec les CP, il faut chercher à diminuer l’érosion des électrodes, et, suivant le type d'application, chercher à éviter le soudage des électrodes, ou au contraire chercher à le provoquer. Reliability, wear and cost problems are the main concerns of manufacturers producing electrical contacts. In the field of low-level electrical contacts, failures are mostly due to tribological and physico-chemical phenomena. In the field of power contacts, Joule heating and electrical arcs play a major role. To increase the lifetime of low-level electrical contacts and to improve their corrosion resistance have become a priority. Physico-chemical, topographical and electrical surface characterisations are all mandatory means of investigation in our field. For power contacts, minimising electrode erosion is an important goal. Welding of the electrodes should be avoided in numerous circumstances, or on the contrary, the heating of the contact interface should be maximised to permit the resistance welding process. Sujets Topics 1. Surface et tribologie des contacts bas niveau (CEBN) Étude des propriétés en frottement et en fretting des CEBN. Elaboration et étude des revêtements organiques de protection des CEBN. Etude des 1. Surface and tribology of low-level electric contacts Study of the friction and fretting behaviours of lowlevel electrical contacts. Study and development of organic coating for such contacts. Studies on the metal/organic layer interface: correlation between electrical, tribological and anti-corrosion behaviours. propriétés de l’interface métal/couche organique : corrélation entre les propriétés électriques, tribologiques et anti-corrosion. Pour tout renseignement s’adresser à : For further information, please contact: 2. Microscopies en champ proche et nanocontacts Développement d'extensions de la microscopie à force atomique permettant, sur tous matériaux, de réaliser des cartographies simultanées de relief LGEP Campus de Gif et de résistance ou d'impédance électrique locale. Etude et modélisation du nanocontact pointe/surface dans des cas simples, influence de Sujet 1 / Topic 1: Sophie NOEL Tél. : +33 [0]1 69 85 16 43 E-mail : [email protected] la polarisation et de la force d'appui. Nano-modifications induites par AFM à pointe conductrice sur la surface explorée. Applications aux revêtements de la connectique bas niveau. Sujet 2 / Topic 2: Frédéric HOUZÉ Tél. : +33 [0]1 69 85 16 43 E-mail : [email protected] 3. Contacts de puissance Étude des phénomènes dans un contact traversé par une forte intensité (coupure du courant, soudure). Étude du bilan de puissance aux électrodes d’un arc électrique. Sujet 3 / Topic 3: Philippe TESTÉ Tél. : +33 [0]1 69 85 16 52 E-mail : [email protected] 4. Contacts spécifiques Étude expérimentale ou modélisation de phénomènes plus généraux liés aux contacts électriques, par exemple détermination d’aires de contact électrique par résolution de problèmes inverses, ou étude de raccordements électriques particuliers. Sujet 4 / Topic 4: René MEYER Tél. : +33 [0]1 69 85 16 74 E-mail : [email protected] 42 2. Scanning probe microscopies and nanocontacts Development of extended capabilities for atomic force microscopy, in order to get simultaneous maps of topography and local electrical resistance or impedance on all kinds of material. Study and modelling of the tip/surface nanocontacts in some simple cases, effect of bias and force values, nanoalteration of the scanned surface by means of a conducting AFM tip. Application to coatings involved in low-level connectors. 3. Power contacts Study of the phenomena occurring in a contact submitted to a high current (current breaking – welding). Study of the energy balance in electrodes subjected to an electric arc. 4. Specific contacts Experimental or theoretical studies of more general problems linked to electrical contacts, for instance determination of electrical contact areas by solving inverse problems, or studies about specific electrical joints. Contacts électriques / Electrical Contacts Nanomodifications à la surface de conducteurs moléculaires Nanomodifications on the surface of molecular conductors Abstract Par Olivier Schneegans, Alec Moradpour*, Lionel Boyer†, Pascal Chrétien * Laboratoire de Physique des Solides, UMR C8502 CNRS, Université Paris-Sud, Orsay † Décédé The surface of some molecular conductors can be patterned, when a bias voltage of a few volts is applied between the sample and the tip apex of a conducting probe atomic force microscope. A very local electrochemical reaction at the tip/sample interface yields nanometer-scale insulating regions. When a lower tip/sample bias is applied, maps of electric resistance are recorded, allowing to visualize the nanopatterns created on the conducting substrate. The influence of some parameters (applied potential value, pulse duration and humidity) on the pattern resolution has been studied, allowing to better estimate the minimal dimensions (~20 nm) of nanostructures or nanodevices which might result therefrom. Modifications nanométriques par électrochimie Pour définir plus précisément les paramètres électrochimiques de la réaction locale A l’heure d’une mobilisation générale autour de l’infiniment petit et de ses enjeux industriels, les microscopes à sonde locale tels que le microscope à force atomique (AFM) constituent un outil de choix. Ils permettent en effet, non seulement d’explorer la matière, mais aussi de la modifier à l’échelle du nanomètre, rendant possible l’élaboration de motifs et de structures irréalisables par les technologies conventionnelles. Dans ce contexte, nous étudions, en collaboration avec le Laboratoire de Physique des Solides d’Orsay, la nanomodification de surfaces par électrochimie locale au moyen d’un AFM à pointe conductrice (« Résiscope ») [1]. Le matériau support est le (TMTSF)2PF6, conducteur organique dont il est connu que l’oxydation macroscopique donne un composé électriquement isolant. Lorsqu’une polarisation (>2V DC) est appliquée entre la pointe et l’échantillon, le ménisque d’eau toujours présent dans l’interface (Figure 1) se comporte comme une petite cellule électrochimique : l’eau est réduite au voisinage de la pointe, tandis que le matériau support est localement oxydé, créant en surface un motif isolant de taille nanométrique. Figure 2 : Cartographie de Résistance (1x1 µm2) sur une surface de (TMTSF)2PF6, modifiée localement par application d’impulsions de tension (de 8V à 2V du haut vers le bas), en fonction de la durée des impulsions (de 0.1ms à gauche jusqu’à 160ms à droite). et tenter une modélisation du processus, d’autres expériences ont consisté à appliquer des rampes de tension V(t). En enregistrant le courant i(t) résultant, nous avons obtenu des courbes i(V) très révélatrices : leur allure dépend fortement de la vitesse des rampes de tension appliquées (Figure 3 à gauche). Une modélisation de la cinétique a été réalisée et a conduit à des courbes i(V) simulées (Figure 3 à droite) qui reproduisent de manière spectaculaire l’allure des courbes expérimentales [2]. Figure 1 : Schéma de la réaction d’oxydo-réduction locale (rayon de courbure de la pointe : ~50 nm), impliquant le ménisque d’eau toujours présent à l’interface pointe/surface en atmosphère ambiante. Visualisation des modifications réalisées Les motifs isolants réalisés à la surface du substrat conducteur peuvent être visualisés en appliquant une tension entre la pointe et l’échantillon, inférieure à 2V pour éviter toute modification ultérieure. Le courant est mesuré en chaque point de la surface balayée par la pointe, permettant de constituer progressivement une cartographie de la résistance apparente locale. Références / References Taille des motifs, influence de certains paramètres, et modélisation de la cinétique erties of metal surfaces using an AFM with a conducting probe », Appl. Phys. Lett., Figure 3 : Courbes i(V) expérimentales (à gauche), et simulées (à droite) à partir d’une modélisation du circuit pointe/surface. ..................................................................................................................................... [1] F. Houzé, O. Schneegans, R. Meyer, L. Boyer, « Imaging the local electrical prop69, 1975-1977, 1996. Afin de caractériser la taille des surfaces modifiées (préfigurant la possibilité de créer des nanostructures ou dispositifs électroniques nanométriques sur ces matériaux), l’influence de la valeur de la tension et de la durée d’application de celle-ci ont été étudiées (Figure 2). L’humidité de l’air a également été examinée, mais l’influence de ce paramètre s’est révélée peu importante. [2] O. Schneegans, A. Moradpour, L. Boyer, D. Ballutaud, « Nanosized Electrochemical Cells Operated by AFM Conducting Probes », J. Phys. Chem. B, 1008, 9882-9887, 2004. 43 2.6 Procédés aérosol et décharges électriques à pression atmosphérique Aerosol and atmospheric pressure electrical discharge processes 2 Énergie Energy Objectifs Aims Cette activité sur les plasmas froids est basée sur une approche de type «génie des procédés» et repose sur une batterie de mesures électriques, thermiques et chimiques. Un thème émerge sur la production et le conditionnement d’aérosols par décharge, en complétant ces méthodes «classiques» de diagnostics par des outils de caractérisation de ces particules solides et/ou liquides en suspension dans les gaz. Cette démarche pluridisciplinaire implique des chercheurs du Département Energie de Supélec et de l'équipe DEE du LPGP, pour étudier et modéliser des processus physico-chimiques induits dans les décharges électriques à pression atmosphérique. Les principaux champs d’applications sont l’énergétique, l’environnement (dépollution, filtration), les technologies propres (traitement de surface, production de poudres) et les biotechnologies. Sujets Topics 1. Activation des gaz par plasmas Déclenchement de la combustion par un arc. Cracking d’hydrocarbures. Modélisation électrique, thermique et physico-chimique. Traitement d'effluents gazeux : odeurs (SOx, 1. Plasma induced gas-phase activation Arc-induced combustion ignition. VOC cracking. Electrical, physical and chemical numerical simulation. Odor (SOx, VOC, etc.), combustion effluents (NOx, SOx, VOC) and industrial solvent vapors (isopropyl alcohol, toluene, propanone) treatment. COV, …), combustion (NOx, SOx, COV) et industriels (isopropanol, toluène, acétone). 2. Biotechnologies plasmas - Décontamination de surface par procédé plasma froid à pression atmosphérique. - Production de poudres et films fonctionnalisés bio-compatibles : procédés aérosols avec ou sans décharge à PA pour le traitement de surfaces 2 et 3D et l’enrobage de particules. Pour tout renseignement s’adresser à : For further information, please contact: Jean-Pascal BORRA LPGP- Equipe DEE Campus de Gif Tél. : +33 [0]1 69 85 17 91 E-mail : [email protected] Emmanuel ODIC Département Électrotechnique et Systèmes d’Énergie Campus de Gif Tél. : +33 [0]1 69 85 15 26 E-mail : [email protected] This work on cold plasmas is based on an “engineering” approach. Controlling and regulating the electrical behavior and properties of discharges on one hand, and the characterization of gas-phase (or heterogeneous phase, i.e. particles and/or electrodes inter-phase) physical and chemical induced conversion mechanisms on the other, require the pooling of complementary skills. Therefore, the EEI department at Supélec has set up a research group in view of cooperating with the LPGP DEE group in the field of numerical simulation and the experimental study of physical and chemical mechanisms induced at atmospheric pressure electrical discharges. The main fields of application are: energy, environment (depollution, filtration), clean technologies (surface treatment powder production), and biotechnologies. 3. Production de nano et micro poudres par décharge électrique à PA - Interaction plasma-surface : analyse non destructive et production de nanopoudre. - Interaction plasma-précurseur gazeux : pour la production de poudres et de films de nature (polymère, oxydes métalliques) de taille et structure contrôlées. 4. Charges et filtration de particules - Lavage des fumées : coagulation électrique d’aérosols polluants submicroniques sur des gouttes produites par électro-spray (Pulvérisation EHD). - Charge et précipitation électrostatique : d’aérosols par décharge couronne. - Electro-Filtre auto-nettoyé : par Décharges à Barrières Diélectriques. 44 2. Biotechnologies - Surface decontamination by atmospheric pressure non-thermal plasma process. - Production of biocompatible functionalized powders and films: aerosol processes with or without discharge at AP for 2 and 3D surface treatment and powder coatings. 3. Production of nano & micro powders by atmospheric pressure electrical discharge - Plasma-surface interaction: for non-destructive analysis and nanopowder production. - Plasma-gaseous precursor interaction for powder and film production with controlled properties (sized and structured polymer and metal oxides). 4. Particles charging and filtration - Wet scrubber of pollutant particles by electrical coagulation of charged pollutant on charged water droplets produced by electro-spray. - Corona charging and electrostatic precipitation. - Self-cleaning electrostatic filter by DBD. Procédés aérosol et décharges électriques à pression atmosphérique / Aerosol and atmospheric pressure electrical discharge processes Nucléation et dépôt de couches minces de SiOx par Décharges à Barrières Diélectriques à pression atmosphérique Nucleation and thin SiOx film deposition by Dielectric Barrier Discharges at Patm Abstract Par Nicolas Jidenko et Jean-Pascal Borra En collaboration avec Françoise Massines du LGET Non-thermal plasma technologies at atmospheric pressure represent a promising set of methods, now applied to aerosol routes for powders production, thin films coatings and filtration. With Dielectric Barrier Discharge at atmospheric pressure in nitrogen, the plasma develops either into transient Filamentary Discharge channels or into a more homogeneous discharge distributed in the whole gap referred as a Townsend Discharge. By injecting a gaseous Silane precursor (SiH4) in a DBD, SiOx vapours are formed leading to thin film deposition on the dielectric surfaces. Besides, the vapour formed also leads to nano-particles production by nucleation. The formation, charging and electro-deposition of nucleated particles involved in thin SiOx film deposition in each discharge regime (homogeneous or filamentary) are depicted hereafter. Les plasmas hors équilibre thermodynamique - dits plasmas froids – sont des milieux gazeux présentant des températures basses (300 - 2500 K) devant celles des électrons (5.103-105 K soit ≈ 0,5-12 eV). Le comportement physico-chimique du milieu (degré d’ionisation, émissivité, réactivité) repose alors sur la production d’espèces gazeuses primaires (ions, neutres excités, radicaux) issues des collisions inélastiques entre les électrons les plus énergétiques et les atomes/molécules du gaz. Ce sont ces espèces primaires qui vont réagir avec le précurseur gazeux (Silane) injecté dans le plasma pour produire des espèces secondaires à l’origine de la formation du film d’oxyde de silicium. L’objectif est de développer un procédé de dépôt de couche mince de silicium à pression atmosphérique [1, 2]. L’analyse des mécanismes de production, de charge et de dépôt électrostatique La taille des particules inclues dans les films est constante (~ 30 nm). Les particules sont donc collectées avant qu’elles aient le temps de croitre au- des nanoparticules formées par nucléation de vapeurs condensables permet de quantifier l’influence des particules sur la formation du film en fonction du régime filamentaire ou homogène de décharge. Cette étude repose sur l’analyse delà de 30 nm, seul un mécanisme de charge et d’électro-collection permet d’expliquer cette sélectivité en taille quel que soit le régime de décharge. En effet, l’efficacité de la charge des particules dans les DBD a été prouvée dans des couches formées sur un wafer de silicium placé dans le réacteur de dépôt grâce à un Microscope Electronique à Balayage, ainsi que sur la caractérisation des particules en sortie du réacteur (cf. Figure 1). les décharges filamentaires [4]. Aux vues de la similarité des distributions en taille dans les deux régimes, les mêmes mécanismes sont impliqués. Cependant si les structures des couches sont identiques dans les deux régimes, la couche est formée plus près de l’entrée dans le régime de décharge filamentaire impliquant une formation et une croissance plus rapide pour justifier d’une charge et de l’électrodéposition plus rapides. En effet, des réactions plus rapides sont attendues en présence de décharges filamentaires dans lesquelles la densité d’énergie est localement plus importante que dans le cas de la décharge homogène conduisant à des densités d’espèces actives plus grandes. Les particules en sortie correspondent à 0,1 % de la Figure 2 : (a) Formation du film de SiOx dans une DBD à 4 kHz en présence de N2/SiH4/N2O (b) Distributions en taille des particules V1=11,8 kV Décharge de Townsend V2=15,5 kV décharge filamentaire. masse de silicium injectée sous forme de Silane et à environ 1 % de la masse totale des particules formées. Les particules sont donc produites chargées, car les mécanismes de charge par collection d’ions gazeux produits par la décharge sont peut efficaces dans cette gamme de taille de particules. En conclusion, si les processus de formation, de croissance et de dépôt électrostatique des particules ont été identifiés, le développement des procédés de dépôt de couche mince par DBD à pression atmosphérique nécessitent le contrôle de ces processus pour gérer la formation de la couche. ..................................................................................................................................... Figure 1 : Dispositif expérimental Le gaz injecté est de l’azote contenant 190 ppmv de N2O et 2,4 ppmv de Silane. A 4 kHz, la tension appliquée au système permet de contrôler le régime de décharge. Les particules de l’aérosol sont analysées en sortie du réacteur plasma par un compteur à noyau de condensation (CNC) et une batterie de diffusion associée au CNC qui permet d’obtenir des distributions en taille des particules. Quel que soit le régime de décharge, les particules inclues dans le film sont plus petites que 30 nm ce qui confirme qu’elles sont formées par nucléation de vapeur. La figure 2 (a) montre l’évolution de la couche formée le long du réacteur. Proche de l’entrée, c’est le flux de radicaux qui forme une couche dense, puis radicaux et particules sont associés dans la couche. Enfin, lorsque toutes les molécules de Silane ont été consommées, ce qui dépend de la concentration de Silane, du débit et de la puissance plasma, le dépôt se produit uniquement sous forme de particules peu adhérentes [3]. La croissance des particules dans le réacteur est due à la coagulation de particules produites localement en très forte concentration après nucléation des espèces condensables. En effet, les distributions en taille des particules en sortie sont bimodales prouvant l’existence des modes de nucléation centré sur 10 nm et de coagulation centré sur 30 nm (cf. figure 2 (a)). Références / References [1] N. Gherardi, S. Martin and F. Massines, “A new approach to SiO2 deposit using a N2-SiH4-N2O glow DBD at atmospheric pressure”, J. Phys. D: Appl. Phys. 33 No 19 (2000) pp. L104-L108. [2] S. Martin, F. Massines, N. Gherardi, C. Jimenez, “Atmospheric pressure PECVD of silicon based coatings using a glow dielectric barrier discharge”, Surf. Coat. Technol., vol. 177-178, (2004) pp. 693-698. [3] J.P. Borra, “Nucleation and aerosol processing in atmospheric pressure electrical discharges: powders production, coatings and filtration” J. Phys. D: Appl. Phys. 39 (2006) R19–R54. [4] N. Jidenko and J.P. Borra, “Kinematics of charged nanometric particles in silent discharges” J. Phys. D: Appl. Phys. 38 pp. (2005) pp. 617-620. 45 2.7 Matériaux isolants et décharges partielles Insulating materials and partial discharges 2 Énergie Energy Objectifs Aims La caractérisation du vieillissement des isolants et la maîtrise du risque que représente leur claquage, comme celle du risque électrostatique, sont aujourd’hui des enjeux industriels importants. L’objectif est pour nous dans ce domaine d’acquérir une meilleure compréhension des mécanismes intervenant dans un diélectrique pouvant comporter des cavités ou des microvides, et soumis à une contrainte électrique. Cette compréhension passe par l’étude des décharges partielles et de l’injection de charge aux interfaces gaz-isolant et métal-isolant. Un autre aspect de cette démarche est la maîtrise des mécanismes de génération et de dissipation de l’électricité statique dans divers environnements. Polymer aging characterization and electrostatic risk control are some of the challenges facing industry today. Our goal in this field is to obtain a better understanding of the mechanisms in a dielectric—including possible voids—submitted to an electrical stress. This involves the study of partial discharges and charge injection at the gas-insulator and metal-insulator interfaces. Furthermore, we also consider the control of static charge generation mechanisms in various environmental situations. Sujets Topics 1. Caractérisation des diélectriques Etude de la corrosion souterraine d’un support métallique protégé par une peinture par mesures de potentiel de surface. Détection des défauts sur des films pour condensateurs. 1. Dielectrics characterization Study of underground corrosion on a painted metal substrate by means of potential measurements. Defect detection on capacitance films. 2. Etude fondamentale des processus de polarisation et d’injection de charge aux interfaces La première étape conduisant au défaut d’isolement est le phénomène d’injection de charge. Celui-ci est étudié par méthodes de mesure de déclin et retour de potentiel de surface après dépôt de charge (décharge électrique ou contact) sur un isolant solide. L’analyse du signal permet la différenciation entre polarisation et injection de charge. Etudes de l’injection de charge à partir de cavités dans des résines époxy. Pour tout renseignement s’adresser à : For further information, please contact: Sujet 3 / Topic 3: Emmanuel ODIC Département Électrotechnique et Systèmes d’Énergie Campus de Gif Tél. : +33 [0]1 69 85 15 26 E-mail : [email protected] 3. Etude et détection de décharges partielles Les propriétés électriques et physicochimiques des décharges électriques sont étudiées et utilisées pour la détection de décharges partielles (décharges couronne, de surface et dans vacuoles) intervenant lors de défauts d’isolement sous moyenne et haute tension. 4. Mesures électrostatiques On peut citer parmi les études menées : étude de la génération de charge par frottement fluide (exemple : tubulure d’essence), par roulement (exemple : charge d’une bille métallique sur surface isolante) ou par frottement solide (exemple : passager sur un siège de voiture). Sujets 1, 2 et 4 / Topics 1, 2 4: Philippe MOLINIE Département Électrotechnique et Systèmes d’Énergie Campus de Gif Tél. : +33 [0]1 69 85 15 25 E-mail : [email protected] 46 2. Fundamental study of interface polarization and interface charge injection mechanisms The first step leading to insulation defects is charge injection. This phenomenon is studied using surface potential decay and return methods. Signal analysis allows discrimination between polarization and charge injection. Measurements of charge injection from micro-voids in epoxy resin. 3. Partial discharge study and detection Electrical, physical and chemical properties of electrical discharges are used for the detection of partial discharges (corona discharges, surface discharges and void discharges) occurring with insulation defects under medium and high voltage conditions. 4. Electrostatic risk Electrostatic measurements, charge generation being either by fluid friction (example: oil pipe), by rotating movement (example: metal ball charged by rolling on an insulating surface) or by solid friction (example: car passenger rubbing on seat). Matériaux isolants et décharges partielles / Insulating materials and partial discharges Apports de la chimie des plasmas froids à la détection de décharges partielles dans des dispositifs électrotechniques moyenne tension Non-thermal plasma chemistry contribution to partial discharges detection in medium voltage equipments Abstract Par Emmanuel Odic During the ageing of in service medium voltage equipments, electrical losses are mainly due to partial discharges which can lead to the electrical failure. Surface discharges and corona discharges produce chemical species in atmospheric air, i.e. ozone and nitrogen oxides. In previous studies, it was demonstrated that the nature and relative distribution of concentration of these stable gaseous products was closely correlated to the discharge regime. These products can be identified and quantified by a periodic sampling of the ambient air in the medium voltage equipment enclosure during accelerated ageing cycles. Measurements have been carried out on a MV transformer. d’humidité : 10 secondes après la mise sous tension, l’émission simultanée d’ozone, NO et NO2 est détectée, traduisant l’existence, parmi l’ensemble Dans les dispositifs électrotechniques MT (5-33 kV), les pertes électriques sont essentiellement dues à des défauts d’isolement conduisant aux phénomènes de décharges partielles. Les risques encourus se situent à plusieurs niveaux : (i) claquage diélectrique ou de surface, (ii) vieillissement accéléré des matériaux isolants. Dans un objectif de maintenance prédictive, des méthodes de diagnostic non intrusives sont nécessaires pour la détection et le suivi de l’activité des décharges partielles sur les matériels MT en exploitation. Différentes techniques existent aujourd’hui, mettant en œuvre des mesures électriques (réalisées côté haute tension grâce à des capteurs capacitifs ou à des sondes de Rogowski). Il est toutefois apparu que ces mesures pouvaient être d’une interprétation difficile en raison d’interférences des décharges partielles, d’une décharge dont le régime s’approche de l’arc. Cette phase est transitoire, puisque la valeur de Rs2 revient à sa valeur initiale, alors que RS1 se stabilise, traduisant une activité modérée des décharges de surface. Cette période transitoire correspond au séchage, par les décharges de surface, de l’isolant sur lequel la vapeur d’eau avait condensé ; ce mécanisme connu permet d’illustrer la sensibilité et la dynamique de la réponse à la fois du phénomène physicochimique observé et de la méthode de mesure proposée. électromagnétique. Deux autres mesures alternatives peuvent être alors proposées, l’une reposant sur des mesures acoustiques, l’autre sur des mesures chimiques. L’émission acoustique des décharges partielles exploitée depuis les années 50 pour les transformateurs à bain d’huile, a récemment été appliquée au cas spécifique du suivi de vieillissement de transformateurs secs MT/BT [1]. L’émission d’espèces chimiques gazeuses par les décharges a fait l’objet de la présente étude. Les décharges partielles comprennent les décharges intervenant dans des vacuoles situées dans le volume du matériau isolant, les décharges couronne (gaz) et les décharges de surface se développant en surface de l’isolant à partir d’un point triple (métal/isolant/gaz). La détection d’espèces gazeuses est limitée aux deux derniers types de décharges. Deux types de collisions interviennent dans les phénomènes de décharges gazeuses : les collisions élastiques menant au chauffage local du gaz, les Figure 1 : Concentration des espèces gazeuses stables (mesure FTIR) en fonction de la température du plasma. [3] collisions inélastiques, à l’origine de l’existence même des décharges et conduisant à l’émission de lumière et d’espèces chimiques (par dissociation et recombinaison). Le chauffage local va d’une part être à l’origine de l’émission acoustique [2] et d’autre part influer sur les cinétiques réactionnelles conduisant à modifier la nature et la proportion relative des espèces chimiques produites par les décharges. Le claquage d’un isolant correspond à la transition d’une décharge pré-disruptive (plasma froid) à un arc électrique (plasma thermique). La chimie associée peut être illustrée par la figure 1 où la composition de l’émission gazeuse d’une décharge est présentée en fonction de la température instantanée régnant dans le plasma Tpl. Si l’ozone est le produit majeur d’une décharge pré-disruptive (basse température) dans l’air, il devient mineur au profit des oxydes d’azote (NO et NO2) lors de l’emballement vers l’arc (haute température). Sur ce principe, des mesures d’ozone et d’oxydes d’azote ont été réalisées dans le mélange gazeux prélevé à proximité des barres de couplage d’un transformateur sec MT/BT triphasé (630 kVA, 400 V/20 kV) subissant un vieillissement accéléré. Deux capteurs de faible coût (semi conducteurs SnO2) ont été utilisés : un capteur délivrant un signal Rs1 augmentant en présence d’ozone et de NO2, un capteur délivrant un signal Rs2 chutant en présence de NO. La figure 2 montre la réponse simultanée des capteurs lors de la mise sous tension nominale (Un=400 V) du transformateur à t=30 s dans une atmosphère saturée Figure 2 : Réponse des capteurs Rs1 (ozone/NO2) Rs2 (NO) HR = 100 % 17°C. Cette étude a fait l’objet d’une collaboration avec Schneider Electric SA. ..................................................................................................................................... Références / References [1] E. Jouseau, C-S Maroni, E. Odic, G. Vivien, “Exhibition of an ageing criterion based on partial discharge detection for medium voltage equipment”, in Proc. 5th IEE Intern. Symp. on Diagnostics, Electrical Machines, Power Electronics and Drivers, pp. 301-305 (2005). [2] E. Odic, M. Dhainaut, A. Goldman, M. Goldman, Ph. Dessante, “Study in space and time of the gas temperature variations in dielectric barrier discharge reactors” in J. Adv. Oxid. Technol., Vol. 8, N°2, Science & Technology Network, Inc., pp. 133-141 (2005). [3] E. Odic, L. Parissi, A. Goldman, M. Goldman, S. Koch, “Chemical by-products in Air, with Admixtures in Correlation with the Gas Temperature Enhanced by Non Equilibrium Discharges”, in Proc. 2nd Intern. Symp. on Non thermal Plasma Technol. for Pollution Control, pp. 107-112 (1997). 47