Contribution à la modélisation et à la caractérisation des supraconducteurs HTC pour leur intégration dans les machines électriques PDF Download
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Les travaux de recherche présentés dans cette thèse constituent une contribution à la modélisation et à la caractérisation expérimentale de supraconducteurs à haute température critique (HTC) en vue d'une meilleure intégration dans les machines électriques. Les travaux ont été menés sur deux axes complémentaires : - Développement d'approches de modélisation permettant le calcul des grandeurs électromagnétiques dans les supraconducteurs HTC sous champ propre ou à proximité d'autres sources, et, notamment en présence de pièces ferromagnétiques à perméabilité magnétique linéaire et non linéaire. Un intérêt particulier est porté aux méthodes intégrales qui présentent plusieurs avantages pour la modélisation de tels systèmes. Les résultats obtenus ont été validés par des comparaisons aux mesures et à des calculs numériques par la méthode des éléments finis. - Caractérisation expérimentale de ces matériaux afin de déterminer le courant critique en courant continu (DC) et les pertes dissipées en courant alternatif (AC). L'étude va de l'élément de base (rubans supraconducteurs) au système (machine électrique), montrant les difficultés rencontrées dans une telle caractérisation. Un prototype de machine synchrone à induit supraconducteur a également été réalisé et testé. Les premiers résultats de mesure obtenus sont présentés et validés par modélisation.
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Les travaux de recherche présentés dans cette thèse constituent une contribution à la modélisation et à la caractérisation expérimentale de supraconducteurs à haute température critique (HTC) en vue d'une meilleure intégration dans les machines électriques. Les travaux ont été menés sur deux axes complémentaires : - Développement d'approches de modélisation permettant le calcul des grandeurs électromagnétiques dans les supraconducteurs HTC sous champ propre ou à proximité d'autres sources, et, notamment en présence de pièces ferromagnétiques à perméabilité magnétique linéaire et non linéaire. Un intérêt particulier est porté aux méthodes intégrales qui présentent plusieurs avantages pour la modélisation de tels systèmes. Les résultats obtenus ont été validés par des comparaisons aux mesures et à des calculs numériques par la méthode des éléments finis. - Caractérisation expérimentale de ces matériaux afin de déterminer le courant critique en courant continu (DC) et les pertes dissipées en courant alternatif (AC). L'étude va de l'élément de base (rubans supraconducteurs) au système (machine électrique), montrant les difficultés rencontrées dans une telle caractérisation. Un prototype de machine synchrone à induit supraconducteur a également été réalisé et testé. Les premiers résultats de mesure obtenus sont présentés et validés par modélisation.
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LE TRAVAIL PRESENTE DANS CE MEMOIRE SE SCINDE EN TROIS PARTIES: LA PREMIERE PARTIE EST CONSACREE AU PHENOMENE DE SUPRACONDUCTIVITE, LA DEUXIEME PARTIE PORTE SUR LA MODELISATION NUMERIQUE EN GENERAL ET LA TROISIEME SUR LA MODELISATION NUMERIQUE DE LA SUPRACONDUCTIVITE. LA PREMIERE PARTIE COMMENCE PAR UNE PRESENTATION DES EQUATIONS DE GINSBURG-LANDAU. ENSUITE, EN VUE DE LA MODELISATION NUMERIQUE AU NIVEAU MACROSCOPIQUE, IL EST ETUDIE EN QUELLES CIRCONSTANCES UNE LOI DE COMPORTEMENT LOCALE RELIANT LE CHAMP ELECTRIQUE ET LA DENSITE DE COURANT EST VALIDE. BIEN QUE DANS LE CAS GENERAL, ELLE N'AIT PAS DE JUSTIFICATION, UNE TELLE LOI DE COMPORTEMENT EST ENVISAGEABLE DANS UN CAS PARTICULIER (FLUX-FLOW). LA DEUXIEME PARTIE EST CONSACREE A LA RECHERCHE DE METHODES NUMERIQUES INCONDITIONNELLEMENT CONVERGENTES, CAPABLES DE TRAITER LES TRES FORTES NON LINEARITES. DE TELLES METHODES, BASEES SUR LA MINIMISATION DE FONCTIONNELLES EXISTENT ET PEUVENT ETRE APPLIQUEES POUR LA RESOLUTION DES EQUATIONS DE MAXWELL COMPLETES. EN TROISIEME PARTIE LA METHODE DE RESOLUTION EST D'ABORD VALIDEE SUR UN PROBLEME SIMPLE (LINEAIRE), POUR ETRE ENSUITE UTILISEE POUR LA RECHERCHE DE LA LOI CONSTITUTIVE QUI EST INACCESSIBLE DIRECTEMENT A LA MESURE
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L'apparition des supraconducteurs à hautes températures (HTc) a permis un développement continu des moteurs supraconducteurs. Ces dispositifs supraconducteurs permettent d'obtenir des puissances et des couples massiques et volumiques très élevés, et sont des alternatives intéressantes aux machines conventionnelles. Le dimensionnement des ces moteurs nécessite une bonne connaissance des caractéristiques électromagnétiques, thermiques et mécaniques des supraconducteurs HTc. Ainsi, le travail présenté ici traite du dimensionnement de machines HTc avec la prise en compte des contraintes liées aux fils supraconducteurs. Le manuscrit débute par une étude bibliographique approfondie dans laquelle trois points sont abordés : les fils supraconducteurs, description des réalisations remarquables de machines HTc de fortes puissances et une analyse statistique sur ces réalisations. Ensuite, la caractérisation DC des fils supraconducteurs HTc et la détermination de leurs pertes AC sous champ variable sont abordées. Des méthodes numériques sont utilisées pour la modélisation et les résultats obtenus sont comparés à ceux de l'expérience. La dernière partie aborde le dimensionnement électromagnétique de moteurs supraconducteurs HTc par des méthodes analytiques et numériques, avec la prise en compte des contraintes liées aux courants critiques dans les bobinages. Les premiers résultats concernant le dimensionnement électromagnétique et thermique d'une structure de machine synchrone supraconductrice à pôles saillants sont donnés. Les solutions techniques envisagées sont largement commentées.
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Les matériaux supraconducteurs présentent des propriétés physiques et géométriques particulières qui exigent des approches de modélisation spatio-temporelle fines, où les méthodes classiques trouvent rapidement leurs limites en termes de convergence, de précision et de temps de calcul. Ce dernier peut être très conséquent, ce qui est incompatible avec les problèmes de dimensionnement et d'optimisation. Dans ce contexte, ce travail a pour objectif de développer des approches de modélisation multiphysique rapides pour le dimensionnement et l'optimisation des systèmes à base de supraconducteurs. Un intérêt particulier est porté pour les méthodes intégrales. Les verrous scientifiques à lever, qui constituent également l'originalité du travail, résident dans l'intégration des lois de comportement E(J) des supraconducteurs dans les schémas numériques de ce type de méthodes. Dans ce travail on développe un modèle numérique afin d'étudier la distribution de la densité de courant et d'estimer les pertes AC dans les supraconducteurs à haute température (HTS). Le modèle développé est basé sur une formulation intégro-différentielle en termes de potentiel vecteur électrique dans les deux domaines fréquentiel et temporel. Une campagne de test est menée afin de valider et de bien cerner les possibilités offertes et les limites de cette approche pour la modélisation des supraconducteurs.
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La découverte des supraconducteurs à Haute Température Critique en 1986 relance l'intérêt porté à la supraconductivité. Ces matériaux sont arrivés à un stade où leur utilisation dans des dispositifs électrotechniques est envisageable. Néanmoins, il est primordial de connaître leurs pertes AC précisément pour dimensionner correctement les dispositifs. C'est pourquoi nous avons étudié dans un premier temps ces pertes AC dans un supraconducteur. Un modèle analytique applicable à une géométrie cylindrique (bobinages) a été ainsi développé et comparé à un modèle numérique. Nous avons réalisé des mesures expérimentales afin de comparer ces différents modèles. Dans le cadre du projet Européen READY, un transformateur supraconducteur monophasé HTC de 41 kVA a été entièrement dimensionné sur les plans électromagnétiques, thermiques et mécaniques. Ce transformateur, entièrement froid, pourra fonctionner dans l'azote liquide jusque vers 65 K ou l'hélium gazeux pour atteindre des températures inférieures. H sera refroidi par un tube puisé. De nombreuses expériences ont été faites pour valider nos choix et nous apporter certaines données expérimentales indispensables comme les pertes fer à froid où la résistance thermique de contact. Enfin, une étude très préliminaire sur différents transformateurs supraconducteurs d'une puissance de 30 MVA a permis de montrer l'intérêt de la technologie supraconductrice sur ces dispositifs.
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Le developpement de nouveaux materiaux supraconducteurs et la mise au point de processus de fabrication de cables comme les films YBaCuO, permettent d'envisager de nouvelles application. Pour l'etude des applications industrielles, il est necessaire de connaitre les caracteristiques electromagnetiques de ces nouveaux materiaux. Pour tous les supraconducteurs, la difficulte reside dans la reconstitution de la loi electrique locale E(J), a partir des mesures. Ce livre consiste donc a la mise au point d'outils theoriques et experimentaux permettant la caracterisation des materiaux supraconducteurs a haute temperature critique. Les travaux ont principalement ete menes sur deux methodes: la methode MB, qui consiste a effectuer des mesures sur une bobine puis a extraire les proprietes du ruban supraconducteur et le field mapping, qui repose sur la mesure d'une cartographie de l'induction magnetique. Ces methodes ont ete testee et validee tant au niveau experimental que theorique.
Author: Ahmed Belasri Publisher: Springer Nature ISBN: 9811554447 Category : Technology & Engineering Languages : en Pages : 659
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This book highlights peer reviewed articles from the 1st International Conference on Renewable Energy and Energy Conversion, ICREEC 2019, held at Oran in Algeria. It presents recent advances, brings together researchers and professionals in the area and presents a platform to exchange ideas and establish opportunities for a sustainable future. Topics covered in this proceedings, but not limited to, are photovoltaic systems, bioenergy, laser and plasma technology, fluid and flow for energy, software for energy and impact of energy on the environment.
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L'objectif de ce travail de thèse est d'optimiser le processus d'aimantation des pastilles supraconductrices à haute température critique (SHTC) par un champ magnétique impulsionnel ou PFM (Pulsed Field Magnetization) afin de les mettre en œuvre dans des applications dans le domaine de l'électrotechnique. Dans l'étape de conception de l'inducteur nécessaire pour magnétiser ces pastilles SHTC, la modélisation et la simulation sont fortement recommandées pour effectuer les calculs nécessaires des différentes caractéristiques électriques du système d'aimantation. De ce fait, nous avons développé un modèle analytique pour étudier l'influence de la présence d'une pastille supraconductrice dans un circuit ferromagnétique sur la valeur de l'inductance d'une bobine inductrice. Il s'agit de résoudre les équations de Laplace et de Poisson dans différentes régions d'intérêt à travers le potentiel vecteur magnétique. La résolution analytique a été effectuée à l'aide d'un code de calcul développé sous MATLAB où les résultats obtenus ont été en bonne concordances avec ceux obtenus par simulation numérique sous COMSOL. L'inhomogénéité des pastilles SHTC de type YBaCuO en termes de la densité de courant critique Jc a été également étudiée. Pour cela, nous avons réalisé des expériences de l'aimantation des ces pastilles par la méthode PFM. Nous avons montré que la surface plane contenant le germe de cristallisation (seed) de ces pastilles est caractérisée par une Jc plus élevée que l'autre surface. Ainsi, nous avons étudié l'influence de la position du germe de cristallisation dans la méthode de caractérisation à deux pastilles.
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L'actualité des travaux de recherche dans le domaine des moteurs électriques repose en partie sur des machines utilisant des matériaux supraconducteurs. En effet, ces matériaux des caractéristiques intéressantes pour des applications à champ magnétique et courant élevés, en étant refroidis à très basse température, en général de 4 à 77K. Ce qui est un paramètre important pour développer des machines de fortes puissances avec un encombrement minimal. Nous proposons d'utiliser les caractéristiques de fort courant et fort champ magnétique des fils supraconducteurs ainsi que les capacités de blindage magnétique des supraconducteurs massifs pour le développement de moteurs supraconducteurs. Nous avons développé et réalisé les essais d'une machine synchrone supraconductrice de 250kW, à inducteur supraconducteur tournant. Nous continuons les travaux sur les machines supraconductrices à topologies originales, avec la modélisation 3D d'un nouvel inducteur, à pans coupés. Mais également par de nouveaux essais et développements de la machine à concentration de flux magnétique réalisée dans des travaux précédents.
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Ce travail portant sur la modélisation des supraconducteurs HTC est réalisé dans le cadre du projet européen BIG-POWA. Ce projet réunit partenaires industriels et universitaires et a comme objectif la conception et l'exploitation de nouveaux câbles HTC à base de fils OPIT Bi 2223, en particulier pour un usage avec du courant alternatif. Le but de ce travail est l'amélioration du modèle numérique du supraconducteur, modéle récemment introduit dans le logiciel de calcul par éléments finis Flux3D. Le modèle numérique utilise des modèles macroscopiques et permet d'accéder aux différentes grandeurs électromagnétiques. Pour faire évoluer le modèle on a intégré le caractère anisotrope des phénomènes et ont a pris en compte le caractère axisymétrique de certains dispositifs. Une approche expérimentale (mesures des pertes A.C., études en régime de surintensité) permet de valider et de compléter la partie modélisation.
Author: Yazid Statra
Author: Yazid Statra
Author: STEFAN.. VASILIU
Author: Sofiane Bendali
Author: Mohamad Farhat
Author: Guillaume Donnier-Valentin
Author: Julien Leclerc
Author: Ahmed Belasri
Author: Mohamed Elbaa
Author: Renaud Moulin
Author: Iszabela Klutsch