Jean Marie Larbaig

" Étude des contraintes électromagnétiques induites par les composants SiC dans une chaîne de conversion d’énergie en vue d’une optimisation en haute fréquence. " Les importantes avancées technologiques de ces dernières années dans le domaine des générateurs à base de composants SiC (Carbure de Silicium) permettent aujourd’hui d’envisager des possibilités d’alimentation en haute fréquence (HF) beaucoup plus élevées offrant de nouveaux avantages : compacité, légèreté, rendement amélioré, etc. Cependant, ces structures d’alimentation engendrent parallèlement des problèmes complexes vis-à-vis du système dans lequel elles sont insérées et des charges qu’elles alimentent. Ces convertisseurs rapides provoquent sur l'ensemble de la chaîne de puissance une augmentation flagrante des excitations et des interactions électromagnétiques, et ce, en mode conduit comme en rayonné. Dans le cas des moteurs électriques, qui représentent la grande majorité des charges alimentées par ce type de générateurs, une conséquence importante est l'augmentation des phénomènes de décharges partielles apparaissant notamment sur leurs bobinages constitutifs. Ceux-ci engendreront un vieillissement prématuré de leurs matériaux isolants, ce qui se traduira, à court ou moyen terme par la destruction de ces bobinages. Cette problématique peut aujourd’hui frapper tout type de machine électrique haute performance, et ce, quel que soit le domaine d’application : véhicule électrique, aéronautique, processus industriel, médical, etc. Pour pouvoir amener des réponses à cette problématique et résoudre les problèmes d’adaptation, nous avons dans un premier temps développé un banc de test intégrant des composants de puissance à base de matériaux SiC pour atteindre l’objectif premier de cette thèse, accélérer le vieillissement des échantillons sous conditions de tests représentatives de leur utilisation réelle. En effet, pour éviter une attente trop importante vis-à-vis de la dégradation de l’isolant des matériaux sous conditions d’utilisation normales, nous avons volontairement modifié le fonctionnement en augmentant la vitesse de pilotage des composants de puissance à des centaines de kilohertz, ~200kHz, et la tension d’alimentation aux alentours de 600V afin de pouvoir stresser les échantillons le plus rapidement possible. Pour permettre l’accélération de ce processus, nous avons intégré de nouvelles plateformes numériques à base FPGA afin d’atteindre ces vitesses de pilotage plus importantes que celles habituellement mises en œuvre. Par le biais de ce développement, nous avons ajouté de nouvelles fonctionnalités dans les « interactions numériques – puissances » telles qu’une interface homme-machine intégralement accessible par le web et conçue sur un langage de programmation open source, mais aussi d’une logique d’acquisition analogique/numérique à haute vitesse. Après avoir rempli ce premier objectif, nous avons dans un second temps, étudié les pistes de diagnostic de dégradation des isolants. Afin de détecter les défauts présents aux bornes des bobinages, nous souhaitions implanter dans ce banc un moyen de diagnostic non invasif vis-à-vis du système de conversion d’énergie, ceci afin d’éviter une modification comportementale et un redimensionnement. Par le biais de recherches bibliographiques, il a été noté que ces dégradations subies pas les isolants des bobinages sont détectables par un changement de la signature fréquentielle du courant d’alimentation. Ce courant traversant ces bobinages est aussi présent dans les cartes de puissance qui constituent le système de conversion et génère un champ électromagnétique dont la signature fréquentielle peut être potentiellement exploitable de façon similaire. Ce moyen de diagnostic nous a conduits à intégrer des sondes de champ électromagnétique aux cartes de puissance à des localisations précises, afin de pouvoir relever les signatures fréquentielles des courants les traversant et ainsi, observer les changements provoqués par le processus de vieillissement accéléré. Par le biais de deux méthodes, il a été permis d’identifier des défauts au sein d’un bobinage. La première était d’ajouter trois capacités aux bornes du moteur afin de simuler un défaut plus ou moins important. La conclusion de ces premiers tests nous a permis de définir une campagne d’essais entreprise par la suite. Cette campagne est la seconde méthode qui impose de faire fonctionner le moteur suivant le processus de vieillissement accéléré durant une centaine d’heures. En comparant à des intervalles réguliers les différents relevés obtenus par l’acquisition de ces sondes, nous avons obtenu un léger décalage fréquentiel dans la gamme des MHz quantifiable par le procédé mathématique de l’erreur quadratique moyenne. Cette campagne d’essais permettra par la suite d’entreprendre d’autres travaux à travers, par exemple, des projets en lien avec des entreprises ou bien des projets de différentes études à travers des thèses. Enfin, la simulation a été également primordiale dans le cheminement de mes travaux. En effet, une caractérisation de l’ensemble du banc de test comprenant le système de conversion, les sondes de champ électromagnétique et le moteur a été entreprise grâce à des outils de modélisation par éléments finis, pour, in fine, permettre une étude prédictive de ce processus en amont des campagnes de vieillissement réelles. Cette démarche permet notamment d’extraire des matrices d’impédances images des modèles physiques (RLCG).

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