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16/12/2016 - Albert PEREIRA

publié le , mis à jour le

Agenda

  • Vendredi 16 décembre 2016 10:00-11:30 -

    Thèse Albert PEREIRA

    Résumé : Conception de Transformateurs Moyennes Fréquences : application aux convertisseurs DC-DC haute tension et forte puissance (voir plus ...)

    Lieu : Amphi Jordan


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Albert PEREIRA soutient sa thèse le 16/12/2016 - 10h - amphi. Jordan

Titre :
Conception de Transformateurs Moyennes Fréquences : application aux convertisseurs DC-DC haute tension et forte puissance

Jury :

  • Directeurs de thèse  : BURAIS Noël ; RAULET Marie-Ange ; SIXDENIER Fabien
  • Rapporteurs : LEBOUC-KEDOUS Afef ; HECQUET Michel
  • Examinateur : FOREST François
  • Invité : LEFEBVRE Bruno

Résumé  :
Le transport et la distribution de l’énergie électrique sont traditionnellement réalisés en alternatif (50 Hz ou 60 Hz), un des éléments-clés de ces infrastructures est le transformateur de puissance. Ce dernier est utilisé depuis plus d’un siècle et donc sa conception est maîtrisée (avec des rendements très élevés, supérieurs à 99 %).

Depuis quelques années, la part des énergies renouvelables est en constante augmentation. Bien souvent, la production des énergies renouvelables est éloignée des centres de consommation. Or, le transport en courant continu sous haute tension (HVDC) sur de grandes distances est plus rentable. Dans ce cas, nous avons besoin de convertisseurs de puissance fonctionnant pour certains avec des Transformateurs Moyennes Fréquences (TMF) entre 1 kHz et quelques dizaines de kilohertz. Dans ces applications, la recherche du rendement maximal est primordiale.

L’augmentation de la fréquence de fonctionnement a pour effet bénéfique de diminuer l’encombrement d’un transformateur. Cependant un certain nombre de problèmes vont apparaître avec cette augmentation. Nous pouvons citer : les pertes dans les conducteurs et dans le circuit magnétique sont liées à la fréquence ; le type de bobinages (fil de Litz et feuillard) et les matériaux magnétiques (ferrites et nanocristallins) en moyennes fréquences sont différents de ceux utilisés en 50 Hz ; le refroidissement est plus complexe car la densité de puissance volumique est plus élevée...

Ainsi dans cette thèse, nous avons mis en place une méthodologie de conception afin de maîtriser au mieux le dimensionnement d’un TMF avec un compromis précision et coût de calculs. Nous avons identifié les modèles (analytiques et numériques) susceptibles d’être utilisés pour estimer les performances d’un TMF. Deux TMF d’une puissance de 180 kVA et de 1 kVA ont été dimensionnés, fabriqués et testés afin de mettre en évidence le domaine de validité et d’ajuster les différents modèles.

Ce travail nous a permis de mettre en place une méthodologie de conception allant des spécifications du convertisseur jusqu’à la simulation de celui-ci avec le modèle du transformateur dimensionné. Nous avons mis en évidence : l’influence de paramètres technologiques sur l’élévation de la résistance pour des bobinages de type feuillard et l’influence de paramètres technologiques sur les propriétés magnétiques des matériaux nanocristallins.

Ce travail de thèse a été réalisé avec le groupe « Matériaux du Génie Electrique » du laboratoire Ampère et financé par l’institut pour la transition énergétique SuperGrid Institute.

Résumé de la thèse en anglais :

The transmission and distribution of electric power is normally made by ac networks (50 Hz or 60 Hz), where one of the key elements of this infrastructure is the power transformer ; used for more than a century, its design is very well understood, with a level of operating efficiency normally greater than 99%.

In recent years, the share of renewable energy has been increasing. Often times the energy generated from renewable sources is produced far from consumption centers, and so transportation in the form of high voltage direct current (HVDC) over long distances is more profitable, due to the lower losses seen than with HVAC after a certain length of transmission line. In this case, we need power converters operating with Medium Frequency Transformers (MFT) from 1 kHz to tens of kilohertz. For these applications, the research of their maximum efficiency in operation is paramount.

Increasing the transformer operating frequency has the beneficial effect of reducing its size. However, a number of problems will appear with this frequency increase, such as : the increase in the losses in the conductors and the magnetic circuit that are related to the frequency ; the less well understood winding type (Litz wire and foil) and magnetic materials (ferrites and nanocrystalline) in the MF that are different from those used at 50 Hz ; the cooling is more complex because the power density is higher, etc.

In this thesis, a design methodology was developed in order to optimise the design of MFTs with respect to the compromise between accuracy and the length of calculations. In addition, analytical and numerical models were identified that can be used to accurately estimate the performance of an MFT. Furthermore, two MFTs (apparent power : 180 kVA and 1 kVA, respectively) were sized, manufactured and tested in order to demonstrate the domain of validity of the models, and also for optimisation of the different models.

This work has enabled the development of a design methodology using the converter specifications and build a simulation with complete model of the transformer, which can then be used to validate an MFT design. We have highlighted : the influence of the technological parameters on the rise of resistance in the foil coils and the influence of the technological parameters on the magnetic properties of nanocrystalline materials.

This work was performed with the group "Materials for Electrical Engineering" Ampère laboratory and funded by the Institute for Energy Transition SuperGrid Institute.