Chapitre 2

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
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Sophie PLUMEL
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Sujet 5 / Topic 5:
Gérard BERGER
LPGP - Équipe DEE
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 17 96
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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]
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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.
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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).
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