7. énergie energy

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7. ÉNERGIE
ENERGY
7
107
7.
ÉNERGIE
ENERGY
7.1
Systèmes électriques et réseaux d'énergie
Power Systems
Le système électrique est en pleine évolution : insertion des énergies
renouvelables, de dispositifs d’électronique de puissance (FACTS) et de
stockage, réseaux intelligents, ouverture des marchés, gestion de la
demande, mais aussi l’impact des futurs véhicules électriques. Par
ailleurs, les réseaux électriques ont dépassé le seul cadre du transport et
de la distribution publique ou industrielle. Désormais ils ont un rôle
majeur dans les systèmes embarqués où les générateurs, moteurs et
actionneurs électriques sont de plus en plus utilisés.
Actuellement les « smart grids » sont au cœur des thèmes de recherche.
L’utilisation des TIC doit permettre d’améliorer la gestion de la charge
(avec une demande élastique aux prix), d’optimiser le fonctionnement des
réseaux (réseaux de distribution reconfigurables) afin d’accroitre la disponibilité et la qualité tout en favorisant le développement des énergies
renouvelables.
Le contexte concurrentiel 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 stockage d’énergie constituent un réel enjeu, dans un secteur où les critères environnementaux ne peuvent plus être négligés
Power systems are evolving: renewable energy sources - RES - and storage
devices integration, FACTS, smart grids, electricity markets, demand response, and increasing demand from electric vehicles. At a smaller scale,
embedded electrical systems are also subjected to new challenges with an
increase of electrical generators, motors, and actuators.
'Smart grids' appear as one of the most challenging actual issues. Making
the best use of ICT to improve demand side management, and optimize the
power system operation (reconfiguration of distribution networks, RES
integration …) could enhance both reliability and quality of service.
Optimisation of large power systems taking into account new economic
rules and environmental criteria, along with the new opportunities which
have opened up in the field of distributed power source, energy storage and
demand response, is undoubtedly a real challenge for the next years.
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Sujets
Topics
1. Fonctionnement et surveillance des réseaux électriques
Gestion du plan de tension et de la puissance réactive.
Commande de disjoncteurs pour l’enclenchement optimal d’ouvrages.
Modélisation, contrôle et impact sur la stabilité de liaisons HVDC.
Conception d’algorithmes de protection, localisation de défauts.
Qualité de l’énergie : impact des harmoniques, classification des
perturbations. Estimation d’état.
1. Control and supervision of power networks
Reactive power and voltage control.
Switchgear command for optimal energizing.
Modelling and control of HVDC links. Impact on stability.
Design of digital relaying and fault location.
Power quality: harmonics, events classification.
State estimators.
2. Intégration des énergies renouvelables
Modélisation probabiliste des moyens de production renouvelables.
Insertion des bâtiments à énergie positive. Stockage.
2. Renewable sources integration
Probabilistic modelling.
Integration of positive energy buildings. Storage.
3. Optimisation technico-économique des grands réseaux
Projet fédérateur €nergie (http://www.supelec.fr/deptenergie/)
Tarification du transport d’énergie, conception et analyse de règles de
marché. Calcul des capacités aux interconnexions. Valorisation des
services « systèmes ». Gestion des congestions.
3. Technical and economic optimization of large power networks
http://www.supelec.fr/deptenergie/Energie/ Welcome.html
Electricity transmission pricing. Market design.
Management of congestions (market splitting, spot pricing, etc.).
Cross-border lines available capacity.
Economic analysis of ancillary services.
4. Systèmes embarqués
Modélisation et simulation d’un réseau de bord automobile 14 V.
Modélisation et optimisation des lois de gestion d’un véhicule
électrique.
Impact de la filière « véhicule électrique » sur le système électrique.
5. Foudre
Protection des structures par paratonnerres.
Phénoménologie de la foudre et ses aspects climatiques.
Analyse de l'efficacité des réseaux de détection et localisation des
éclairs.
Pour tout renseignement s'adresser à :
4. Embedded systems
Modelling and simulation of a 14V automotive network.
Modelling and optimization of an electric vehicle.
Interaction between power network and electric vehicles.
5. Lightning
Protection of structures with lightning rods.
Lightning phenomenology and its climatic aspects.
Efficiency of lightning detection network.
For further information, please contact:
Marc PETIT
Gérard BERGER
Sujets 1 - 4 / Topics 1 - 4
Département Électrotechnique
et Systèmes d'Énergie Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 15 33
E-mail : [email protected]
Sujet 5 / Topic 5
LPGP - Équipe DEA
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 15 36 73
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7.1 Systèmes électriques et réseaux d'énergie
Power systems
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Decentralized optimization of multi-area power systems
Optimisation décentralisée des grands systèmes électriques
Yannick Phulpin
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Résumé
Cette recherche vise à développer des méthodes de coordination du réglage de tension pour les systèmes électriques contrôlés par
plusieurs gestionnaires de réseau. Le problème est formalisé comme une optimisation successive des consignes données aux
groupes de production et de compensation en fonction d'une prévision d'état statique du système. Il s'agit alors de définir une
procédure type pour les gestionnaires de réseau de sorte à obtenir un point de fonctionnement satisfaisant chaque partie tout
en minimisant les besoins d'échanges d'information. L'approche proposée consiste à laisser chaque gestionnaire de réseau optimiser son propre système en représentant ses voisins avec des équivalents simples dont les paramètres sont estimés à partir
d'observations internes seulement. Les résultats obtenus montrent que des performances quasi-optimales peuvent être atteintes
avec certains équivalents.
Introduction
Results
Control and optimization of multi-area power systems often rely on decisions made by local utilities regardless of their impact on the other areas of
the interconnected systems. This type of non-coordinated operation may
lead to suboptimal system operation and induce significant errors in power
flow prediction, which might cause severe disturbances. Consequent to such
events, a better coordination among system operators has been advocated.
Hence, different centralized control schemes have been proposed to coordinate power markets or reactive power dispatch [1]. They are usually intended for a centralized control center, which gathers information from the different utilities, makes decision for the entire system, and advises system
operators with respect to control actions. To avoid information exchange and
reduce computation complexity, decentralized approaches have also been
proposed. In [2], a decentralized scheme is proposed where the different system operators concurrently schedule reactive power dispatch within their
own control area while representing the neighboring areas with external
network equivalents whose parameters are fitted based on local measurements only.
Simulation results have shown that, whereas the coordination does not
rely on any explicit information exchange, nearly optimal performance can
be achieved with relatively simple equivalents in the context of singleobjective time-invariant and time-varying power systems.
In addition, further research has also investigated the performance of the
scheme when the system operators have individual objectives of different
types (e.g., some focus on active power losses while others on reactive
power support), as it usually occurs in real systems. Such a study has
required the definition of a quantitative index D(k) that reflects the fairness of multi-party resource allocations, which is introduced in [4]. Figure
2 depicts the evolution of D(k), when the decentralized scheme is applied
to a UCTE-like 4141 bus system with seven system operators. It can be
observed that PQ equivalents lead to nearly optimal performance,
although system operators have no information on the configuration outside of their own control area.
Proposed approach
To address the coordination problem in time-varying systems, an advanced decentralized control scheme was proposed in [3]. The coordination
relies on guidelines for every system operator to optimize the control settings located in its control area as shown in Figure 1. In practice, at every
instant k, each system operator TSOi models the external system with a
set of parametric equality constraints, which correspond to a simple external network model whose parameters are denoted by zi*(k). Then, it solves
the optimization problem in its own control area, applies locally optimized
control actions ui*(k) to the interconnected power systems, and makes
measurements zis(k) that will serve later to update zi*(k+1).
Figure 2: Suboptimality index D(k) as a function of discrete time k in a
UCTE-like system with 4141 bus and seven system operators with PQ
equivalents, PV equivalents, and the centralized minimization of D(k)
References
Figure 1: The role of TSOi in the decentralized optimization scheme.
The scheme is obviously simple since it involves no need for communication between the different system operators or for a centralized authority
to coordinate their actions. While different external network models could
be advocated (e.g., PQ, PV, REI, Thévenin, Non-reduced power system), it
is demonstrated in [2] that constant PQ equivalents lead to the best performance. In addition, adaptive parameter tracking strategies have been
proposed to derive zi*(k) from the record of local measurements by considering changes in the system configuration, or prediction errors at the
previous instants. As emphasized in [3], better performance is obtained
with tracking strategies whose dynamics are fast after significant variations (loss of a line, for example) and slow when the system is subjected to
small variations of operation conditions.
Recherche Research
[1] Y. Phulpin, M. Begovic, M. Petit, D. Ernst, “A fair method for centralized optimization of multi-TSO power systems,” Int Journal of
Electrical Power and Energy Systems, pp. 1-7, 2009.
[2] Y. Phulpin, M. Begovic, M. Petit, J. Heyberger, D. Ernst,
“Evaluation of network equivalents for voltage optimization in multiarea power systems,” IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 24,
pp. 729-743, May 2009.
[3] Y. Phulpin, M. Begovic, M. Petit, D. Ernst, “Decentralized reactive
power dispatch for a time-varying multi-TSO power systems,” Proc of
the HICSS-42, pp. 1-8, Jan 2009.
[4] Y. Phulpin, M. Begovic, M. Petit, D. Ernst, “On the fairness of centralized decision-making strategies in multi-TSO power systems,”
Proc of the PSCC, pp. 1-7, July 2008.
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7.
ÉNERGIE
ENERGY
7.2
Électronique de puissance
Power Electronics
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.
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Sujets
Topics
1. Conception de convertisseurs à commutation douce
Alimentations en courant continu fonctionnant au 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).
1. Design of soft switching converters
DC power supplies working beyond 1MHz for telecommunications
(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 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
2. Design 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. 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.
3. Converters modeling
Slow variations and low signal DC/DC converters modeling in order to
integrate them in a control loop (control of the output voltage, output current, input current...).
Modeling of the converter environment (input filter, load...) in order to
propose stability rules useful for dimensioning the converters.
Daniel SADARNAC
Charif KARIMI
Pierre LEFRANC
et Systèmes d'Énergie
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 15 07
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 15 19
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 15 08
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7.2 Électronique de puissance
Power electronics
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DC-DC converters modeling and control
Modélisation des convertisseurs continu/continu à fin de régulation
Daniel Sadarnac
Muhammad Usman
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Résumé
La modélisation et la commande des convertisseurs de type continu/continu occupent une place importante en électronique de
puissance. La « modélisation moyenne » est la plus courante. Plusieurs variantes sont connues. Nous les avons évaluées et adaptées de manière à prendre en compte les principaux éléments « parasites » d'un circuit électronique, notamment pour le mode
de conduction discontinu (DCM). Un des problèmes essentiels à résoudre pour réguler le débit d'un convertisseur est l'instabilité provoquée par l'inévitable filtre d'entrée. La modélisation des convertisseurs nous a permis de dégager des règles précises
de dimensionnement des filtres dans le but de stabiliser l'ensemble. Un amortissement passif du filtre d'entrée, par résistance, est utilisable à cette fin mais des pertes énergétiques non négligeables peuvent apparaitre. Nous avons donc recherché une
commande capable d'assurer la stabilité.
Modeling
Modeling and control of switched-mode dc-dc converters has occupied a center stage in the field of modern power electronics due to their widespread
military and industrial applications. Averaged modeling is most commonly
applied as an effective tool to analyze dynamic behavior of a converter and
to get physical insights into various dynamical phenomena. State-space
averaged models are widely accepted in practice mainly because of their
simplicity, generality and demonstrated practical utility. Various averaged
models have been presented in literature; however, some fundamental questions regarding averaging methodologies still lack satisfactory answers.
These unresolved modeling issues are primarily related to their practical
validation, inclusion of circuit parasitics and their application to the
control-loop design. One of the primary concerns of this research is to study
and evaluate the performance of averaged modeling of dc-dc converters from
control perspective. In particular, the main emphasis is placed on the theoretical and experimental investigation of averaged modeling in discontinuous conduction mode (DCM). Various analytical averaged models of different orders, presented in literature, are reformulated by including all appropriate parasitic (Figure 1). Parasitics are introduced to take into account
those phenomena which can possibly induce instability. Then, the validities
of these averaged models are experimentally examined by comparing analytical results with experimental results measured from a hardware prototype.
technique. An augmented state-space averaged model is used to design the
controller which combines state-feedback with PI-control loop. First of all a
theoretical approach is presented. Then the effectiveness of the proposed
control algorithm is demonstrated with simulation studies. It appears that
an adequate level of dynamic performance under large perturbations can be
achieved by using a varying gain state-feedback. A pseudo large-signal stability analysis is also performed with the help of this technique.
Importantly, this control strategy assures stability of the system without
using any passive components in the filter circuit and thus avoiding undesirable losses. An alternate control scheme, chosen from the literature, is
also discussed for filter-converter system stability. This scheme is based
upon sliding-mode control and Lyapunov function approach. Its dynamic
performance is compared with that of the full state-feedback controller proposed in this thesis while explaining pros and cons of both control strategies.
Input-filter influence
As far as control is concerned, stability is of prime importance in any dc voltage regulation system. However, closed-loop stability is not guaranteed if a
low-pass filter is present at converter-input. The origin of this problem lies
in the filter interactions with the negative dynamic resistance behavior of
the dc-dc converter input port. Literature provides a gateway to solve this
issue and proposes a “passive” solution to damp the input-filter oscillations.
Although exact values of the required damping resistance can be determined using an ideal converter model, this value is not systematically confirmed through experiments. In this work, small-signal control-to-output
transfer functions are used to systematically formulate some design rules to
avoid instability. Safe operating regions are identified in terms of dampingcircuit parameters and this approach is subsequently extended to the case
of cascade converters. Throughout this study, the small-signal averaged
modeling is used for the stability analysis.
Input-filter damping
Although adding adequate resistance to the filter can solve instability problem, one drawback for which passive damping is commonly criticized is the
undesirable power dissipation in the damping resistors. To properly investigate its adverse impact on conversion efficiency, these damping losses are
quantified in this work. A detailed theoretical power-loss analysis is presented under varying operating conditions followed by its experimental
verification. Obtained results are generalized for all fundamental topologies.
Figure 1: Control to output transfer function magnitude and phase plot
comparison; (a): reduced-order model for ideal converter, (b): reduced order
model with parasitics included, (c): full-order models for ideal converter, (d):
full-order models with parasitics included, (e): corrected full-order model for
ideal converter, (f): corrected full-order model with parasitics included.
Reference
Active damping
One of the main themes of this dissertation is the development of a control
solution for the stability of dc-dc converter in presence of input filter, hence
avoiding the use of dissipative damping. To achieve this objective, this
research suggests the use of full state-feedback control with pole-placement
Recherche Research
[1] Muhammad Usman Iftikhar, “Investigation of DC-DC Converter
Modeling from the Perspective of Control and Input-Filter Influence”,
Doctoral Supélec Thesis, Defended on 15 December 2008.
2009 / 2011
111
7.
ÉNERGIE
ENERGY
7.3
Machines électriques et systèmes de conversion
Electrical machines and drives
La souplesse de l'énergie électrique et la qualité de son traitement par les
dispositifs convertisseurs font que les actionneurs électriques sont de plus
en plus utilisés dans des applications performantes. Des appareils spécifiques sont conçus pour répondre au mieux à de nouvelles applications et
des innovations engendrent les évolutions nécessaires pour s'adapter aux
nouvelles contraintes.
Parallèlement, les outils d'analyse des phénomènes régissant le comportement des appareils procurent une meilleure précision pour la définition
des dimensions et des caractéristiques des appareils.
Le matériel peut donc évoluer en vue d’une amélioration de ses performances tout en réduisant ses dimensions et son coût par une conception
ajustée aux spécifications.
La conception spécifique permet de répondre au mieux à un cahier des
charges directement défini par l'application et dépendant du secteur envisagé : Production - transports - usage industriel ou domestique. Des
méthodes d'optimisation basées sur le développement de modèles de différents niveaux sont mises en œuvre dans ce contexte.
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 application and on concerned domains : Energy production, transport, industrial
or house appliances.
Specific optimisation method involving different modelling levels have
been developed and tested for these applications.
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Sujets
Topics
1. Conception et optimisation d'actionneurs
Conception d'actionneurs à circuit magnétique tridimensionnel.
Optimisation d'actionneurs à déplacement rectiligne pour forte charge.
Comparaison de solutions de motorisation : Moteurs à aimants, asynchrone, synchrone à rotor bobiné, à réluctance variable ou à courant
continu. Intégration des contraintes convertisseur et réseau.
1. Design and optimisation of actuators
Design of electrical machines with tridimensional armature.
Linear movement actuators optimisation for heavy loads.
Different drive proposal assessment and comparison: Permanent magnet
structures, induction machines, wound rotor synchronous machines,
Switch reluctance machines, DC motors.
Power quality constraints. Motor and electronic converter matching.
2. Conception et réalisation de systèmes de conversion
Méthodes de synthèse, de simulation et d'analyse pour la conception de
systèmes de motorisation. Utilisation des outils numériques 2D ou 3D
pour réaliser des modèles de conception et les valider.
Optimisation globale de la chaine de conversion d'énergie.
Exemple : conception et réalisation d'une électro-pompe de satellite.
2. Drive system design
Analysis, synthesis and simulation methods to design embedded electrical drive applications. Use of 3D and 2D digital analysis tools for
design model synthesis and model performances assessment.
Global optimisation of the electrical energy conversion chain.
Example: Design and realisation of an electro-pump for satellite.
3. Modélisation fine et outils d'aide à la conception de machines
Développement de modèles multiphysiques analytique et numérique
(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 VR machines accounting the non linear phenomena.
CAD tools for PM machines or switched reluctance machine.
4. Amélioration des performances dynamiques et énergétiques et
de la sureté de fonctionnement
Développement de lois de commande non-linéaires et robustes
Réduction du nombre de capteurs par observateurs et 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
relibility
Design of robust and non linear control laws of static converters and
electrical machines. Number of sensors reduction by using state observers or estimators. Fault tolerant control architecture.
Energy management in embedded systems.
Jean-Claude VANNIER
Claude MARCHAND
Sujets 1, 2 / Topics 1, 2
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 15 01
Sujets 2, 3, 4 / Topics 2, 3, 4
LGEP - Équipe COCODI
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 15 05
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7.3 Machines électriques et systèmes de conversion
Electrical machines and drives
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Optimization of a drive system and its epicycloidal gear set
Optimisation d’un système d’entraînement et de son train épicycloïdal
Philippe Dessante
Pierre Vidal
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Résumé
Cette étude décrit le dimensionnement d’un système d’entraînement constitué d’un moteur à courant continu, d’un réducteur
de vitesse et d’une vis sans fin. Ce système est alimenté par un convertisseur de puissance associé à sa source d’alimentation.
L’objectif est de réduire la masse du système car les réductions de volume et de poids sont primordiales pour les systèmes embarqués. Nous présentons un modèle analytique du système pour une application donnée puis une optimisation des dimensions du
moteur et du réducteur de vitesse ainsi que de la tension de la source d’alimentation avec pour objectif la diminution du poids.
The total weight can be expressed by the following expression:
Introduction
The studied system is a linear electrical drive realized with a Ni-MH battery bank, a DC/DC converter, a DC motor, a speed reducer and a lead-screw
device. The aim of the system is to move a load along a linear displacement.
Regarding the load, we can define mainly two specifications. Firstly, it has
to apply a rather high static force to overcome some static friction force. This
has to be done at constant speed or at standstill. Secondly, it has to be driven from one point to another in a given time. This specification implies a
dynamic force, an acceleration and a maximum speed depending on the kind
of displacement. In order to optimize the weight of the system, and mainly
the battery, DC motor and speed reducer weights, geometrical and physical
relations have to be written for each component. These relations are then
linked with the others to make a global optimization of the system. The
constraints are based upon the load specifications. The mathematical optimization is performed with the help of various numerical methods like
Genetic Algorithm, Random Search, Differential Evolution and Nelder
Mead.
Before optimization, the battery voltage is 14 V and the weight M is equal
to 1180 g. The optimization procedures uses the constraints and searches
a set of values for R, L, E, R1, R2, R3, R4 R, and Ubat which minimizes the
total mass of the system.
Results
The initial total weight was 1180g and the total weight after optimization
is equal to 830g. We can note that the weight is reduced by 30%. The voltage of the chosen battery is now 12V.
Figure 2 shows the motor and speed reducer weights of the system
in function of the constraint max.
System model
Figure 2: Motor and speed reducer weights versus
max
.
The system mass decreases until max = 95rad /mm , where it remains
constant. Consequently, there is no need for a transformation ratio greater than 95 rad/mm. At this point, the motor mass decrease compensates
the speed reducer mass increase.
Figure 1: Power conversion system.
Conclusion
Concerning the mechanical part, the lead-screw is represented by its
transformation ratio deduced from the screw pitch while the speed reduction system introduces a speed transformation ratio. The speed reducer is
constitued by two epicyclic gears (characterized by R1, R2) and one cylindrical gear with straight outer teeth (characterized by R3, R4). All load
specifications are expressed on the motor shaft. In the considered application, the motor has to generate two sorts of torques, imposed by the load.
A static torque which is necessary to reach the breakaway force on the
load just before it starts to move or to maintain the speed at a constant
value. The motor must also generate a dynamic torque which is required
when the different resistive forces are at their maximum values. All these
torques can be expressed with the three main dimensions parameters
used for the design: the rotor radius R, the rotor length L and the permanent magnet thickness E.
The established relationships are used to define the constraints during
the optimisation procedure. Two types of constraints are considered: the
physical constraints which permit to ensure that the motor can supply
load requirements and the geometrical constraints which permit to define
a feasible motor and speed reducer. Concerning the physical constraints,
the motor peak torque has to be greater than the static and dynamic
torques. The nominal torque has also to be greater than the required rms
torque.
Recherche Research
The weight of an electromechanical conversion system has been optimized.
Firstly, a model of the motor and the speed reducer has been done. This
model links the motor and speed reducer main dimensions to their performances. Then, the battery bank, motor and speed reducer weights have
been expressed as function of the optimization parameters.
Secondly, a procedure was executed in order to minimize the objective function which is the weight of the previous components. The results illustrates
how important it is to consider all criteria at a same time. The optimization
cannot be carried out considering the parameters one after each other.
References
[1] Macua E., Ripoll C., Vannier J-C, Optimization of a Brushless DC
Motor Load Association, EPE2003, Sept 02-04, 2003, Toulouse (France).
[2] Ph. Dessante, J-C Vannier, Ch. Ripoll, Optimisation of a Linear
Brushless DC Motor Drive, ICEM 2004, September 2004.
[3] Ph. Dessante, J-C Vannier, P. Vidal, Optimisation of a Linear
Brushless DC Motor Drive and the Associated Power Supply, AES 2005
Civil or Military All-Electric Ship Conference, 13 – 14 October 2005
Paris-Versailles, France.
2009 / 2011
113
7.
ÉNERGIE
ENERGY
7.4
Décharges électriques à pression atmosphérique
et environnement
Atmospheric pressure electrical discharges
and environment
Cette activité sur les plasmas froids à pression atmosphérique (PA) 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 Electrotechnique et Systèmes d'Énergie (ESE) de Supélec et
de l'équipe Décharges Electriques et Aérosols (DEA) du LPGP, pour caractériser et maîtriser les processus physico-chimiques afin de proposer des
procédés plasmas à pression atmosphérique induits par décharges électriques.
Les principaux champs d'applications sont l'énergétique, l'environnement
(dépollution, diagnostique et production d'aérosols calibrés, filtration), les
matériaux par procédés propres (traitement de surface, production de
poudres) et les biotechnologies.
This work on atmospheric pressure (AP) non-thermal plasmas is based on
a “Process Engineering” approach implying the production of controlled
electrical discharges by monitoring the related electrical, thermal and chemical properties. An emerging research topic is the production and conditioning of aerosols (solid and/or liquid particles suspended in gas) with
the implementation of associated diagnostic tools. Researchers from the
Supélec department of Power and Energy Systems are cooperating with the
LPGP Electrical Discharges and Aerosols group to characterize and monitor physical and chemical mechanisms to propose plasma processes induced by atmospheric pressure electrical discharges.
The main fields of application are: energy and environment (pollution
treatment, diagnostic and production of calibrated standard aerosol, filtration), materials processing by clean processes (surface treatment powder
production), and biotechnologies.
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Sujets
Topics
1. Activation des gaz par plasma
Modélisation électrique, thermique et physico-chimique.
Traitement d'effluents gazeux de type composés organiques volatils
(COV : méthane, isopropanol, acétone, toluène, naphtalène,…).
1. Plasma induced gas phase activation
Electrical, physical and chemical numerical modeling.
Gas treatment (Volatile Organic Compounds VOC: methane, isopropylalcohol, acetone, toluene, naphthalene,…).
2. Biotechnologies plasma
Décontamination de surface par procédé plasma froid à pression
atmosphérique.
Production de poudres et films fonctionnalisés biocompatibles et enrobage de particules par procédés aérosols.
2. Biotechnologies
Surface bio-decontamination by atmospheric pressure non-thermal plasma.
Production of functionalized powders/films and powder coating by
aerosol processes.
3. Procédés aérosol et plasma pour les matériaux
Interaction plasma-surface : analyse non-destructive et production de
nanopoudres.
Interaction plasma-précurseurs gazeux et liquide : production de
poudres et de films de nature (polymère, oxydes métalliques) de taille
et structure contrôlées.
Générateur d'aérosols nanométriques calibrés par nucléations en postdécharge.
3. Aerosol and Plasma Processes for Materials
Plasma-surface interaction for nano-powder production.
Plasma-gas or liquid precursor interaction for powder and film production with controlled size and structure of polymers and metal oxides.
Standard nano-sized aerosol generator by nucleation in discharges.
4. Procédés aérosol et plasma pour l'environnement
Lois de charge, chargeurs et diagnostique d'aérosols (taille, concentration).
Electro-filtration (précipitation par Décharges -Corona et à Barrière
Diélectrique- et coagulation sur gouttes produites par électro-spray Pulvérisation EHD).
4. Aerosol and Plasma Processes for Environment
Particle charging laws, aerosol chargers and diagnostic (size and
concentration).
Electro-filtration: Precipitation (in Corona and DBD) and wet scrubberby coagulation on charged water droplets produced by electro-spray.
Jean-Pascal BORRA
Emmanuel ODIC
LPGP - Équipe Décharges
Electriques et Aérosols
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 15 36 74
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 15 26
114
7.4 Décharges électriques à pression atmosphérique et environnement
Atmospheric pressure electrical discharges and environment
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Dilute methane treatment by atmospheric pressure electrical discharge
Emmanuel Odic
Traitement d'un effluent chargé en méthane par décharge
Michael J. Kirkpatrick
électrique à pression atmosphérique
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Résumé
L'oxydation par plasma froid à pression atmosphérique de faibles quantités de méthane (0,1%Vol.) diluées dans un effluent de
type combustion (azote/oxygène - 90/10) a été étudiée en regard de la teneur en vapeur d'eau du mélange. La puissance dissipée dans la décharge à barrière diélectrique générant le plasma a été maintenue constante (50 W) et la température du mélange gazeux inférieure à 150°C. L'addition de vapeur d'eau dans le mélange réactionnel conduit à l'augmentation de taux de
conversion du méthane, à une oxydation plus avancée et à la formation d'hydrogène.
Introduction
Methane, the major component of natural gas, is the third most important
global fuel after oil and coal. After water and carbon dioxide, methane is the
most abundant greenhouse gas, trapping about 21 times more heat per molecule than CO2 and so it plays a significant role in climate warming. Although
atmospheric methane emissions due to transportation are relatively small,
European regulations classify it as an unburned hydrocarbon and therefore
limits on methane emission are becoming restrictive. Electrical discharges
are being investigated more and more for chemical process applications.
These processes include the treatment of waste gases with the interest of
destroying unwanted compounds such as for example nitrogen oxides,
unburned hydrocarbons and carbon monoxide found in diesel exhaust gases.
Another research pathway concerning atmospheric pressure electrical
discharges involves the goal of plasma 'assisted' reforming of methane. For
this application, spark-like discharges such as gliding arcs are sometimes
used [1]. These studies differ from the present one in that large concentrations of methane are used even when similar discharge technology is considered [2]. The presented work specifically focuses on the influence of water
vapor on methane oxidation by means of an atmospheric pressure dielectric
barrier discharge (DBD). Previous studies on dilute methane treatment by
non-thermal plasma at atmospheric pressure alone [3] and in combination
with catalysts [4] have been done. The present work expands on these studies and will be discussed in light of them.
When water vapor is added to the gas mixture, a new source of reactive species arises through water dissociation via a direct electron mechanism or by
excited species as illustrated by reactions:
As has been previously demonstrated in the literature [3], oxygen acts as a
scavenger for excited nitrogen molecules (or nitrogen atoms) in much the
way that water has been shown to do in this work. This is the reason why
methane conversion is only around 15% in the beginning (20-30 min) of the
experiment depicted in Fig. 2.
Experimental
The experimental system was comprised of a dielectric barrier discharge
reactor, a high voltage power supply and electrical measurement equipment
(digital oscilloscope with 500MHz band pass and a maximum sampling rate
of 2 GS/s), a gas supply controlled by rotameters and/or mass flow controllers, and online gas-phase chemical analysis devices (FTIR for methane
degradation by-products, and TCD gas chromatography for H2). All experiments were carried out at atmospheric pressure. The experimental set-up is
presented in Fig.1.
Figure 2: Methane, carbon monoxide, carbon dioxide, and hydrogen concentration evolution in nitrogen with 10% oxygen and different water vapor
concentrations (P=50W) [5].
When water is added to the oxygen-containing mixture, two effects are observed: the conversion of methane increases and reaction products are shifted
toward total oxidation i.e., toward CO2 over CO. These two effects both
increase with increasing water content. Molecular hydrogen is also produced.
The hydrogen and nitrogen oxides concentration measurements (not shown
in Figure 2) can provide information on what chemical mechanisms occur for
each particular case. In the presence of oxygen, once methane reacts to form
CH3 radical, subsequent reactions with molecular oxygen, which is of course
in large excess, can lead to CO and CO2 formation via formic acid intermediate. The effect of increasing water concentration shifting reaction products
toward complete oxidation (i.e., toward CO2 over CO) is likely due to reactions of hydroxyl radicals with methane decomposition intermediates.
References
[1] Li X-S, Zhu A-M, Wang K-J, Xu Y, Song Z-M (2004) Catal Today
98:617.
Figure 1: a) overall gas flow set-up (CEM = Controlled Evaporator Mixer),
b) DBD reactor and electrical set-up.
Results
For the advanced oxidation of organic compounds by means of atmospheric
pressure non-thermal plasma in air-like mixtures, two main sources of oxidative species can be considered: molecular oxygen and water vapor. Oxygen
dissociation by direct electron impact or reaction with excited species leads
to the formation of oxygen atoms:
Recherche Research
[2] Nair SA, Nozaki T, Okazaki K (2007) Ind Eng Chem Res 46:3486.
[3] Pringle KJ, Whitehead JC, Wilman JJ, Wu J (2004) Plasma Chem
Plasma P 24:421.
[4] Da Costa P, Marques R, Da Costa S (2008) Appl Catal B: Environ
84:214.
[5] A. Mfopara, M.J. Kirkpatrick, E. Odic (2009) Plasma Chem
Plasma Process 29:91-102.
2009 / 2011
115
7.
ÉNERGIE
ENERGY
7.5
Matériaux isolants et décharges partielles
Insulating materials and partial discharges
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 ageing 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
constraint. This involves the study of partial discharges, 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.
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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.
2. Fundamental study of polarization processes and interface
charge injection mechanisms
The first step leading to insulation default 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. 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 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).
Etude de la formation de la charge d'espace et de sa dissipation sur une
structure isolante soumise à un faisceau de particules énergétiques
(applications spatiales).
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 voids discharges) occurring with insulation defaults
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).
Study of the space charge buildup and decay in an insulating material
subjected to an energetic particle beam (space environment).
Philippe MOLINIÉ
Emmanuel ODIC
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 15 25
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 15 26
116
7.5 Matériaux isolants et décharges partielles
Insulating materials and partial discharges
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Etude de la dynamique de l'injection de charge dans un film isolant
Charge injection dynamics in insulating films
Philippe Molinié
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Abstract Although the 1990s marked the development of more sophisticated techniques for investigating space charge in insulating materials (such as LIPP, PEA, or the mirror method), surface potential measurement obtained by means of electrostatic probes
remains a convenient tool that is used in many laboratories. In the field of materials characterization, there is a strong need
for such basic laboratory techniques. However, some theoretical and practical issues concerning the interpretation of results still
need to be resolved. Discrimination between injection of the deposited charge and polarization phenomena in the bulk is often
difficult to fathom. The measurements presented here on polypropylene films show that this is possible since each phenomenon
has its own specific signature.
Maîtriser l'injection de charge : un enjeu décisif
L'injection de charge à partir du milieu environnant (électrodes, gaz) est
clairement identifiée aujourd'hui comme le phénomène initiateur essentiel
du claquage des isolations, à la fois parce qu'elle crée une distorsion locale
du champ qui rend caducs les calculs de champ effectués sur l'hypothèse
d'une isolation homogène, et parce qu'elle est accompagnée de phénomènes
exoénergétiques, liés à la recombinaison et au piégeage dans le matériau
des porteurs de charge injectés. Ces phénomènes mettant en jeu des énergies de quelques eV peuvent dégrader localement irréversiblement le matériau.
Figure 1 : Déclin de potentiel et exemple de profil latéral (films PP)
Des techniques ont été développées ces dernières années, mettant en jeu
une onde de pression traversant le diélectrique, qui permettent en théorie
la mesure de la répartition de la charge dans le volume du solide.
Cependant, elles ne sont pas toujours applicables, et il reste une forte
demande de techniques de caractérisation des matériaux plus simples et
moins chères. La mesure du potentiel de surface au moyen de sondes électrostatiques classiques en est une [1].
Une étude sur des films de polypropylène
Sur des films isolants épais de quelques microns, tels ceux utilisés pour la
fabrication des condensateurs, les techniques d'onde de pression sont inapplicables dans l'état actuel de la technique, et des méthodes plus traditionnelles s'imposent [2].
Nous avons réalisé une étude sur des films de polypropylène d'une épaisseur de 6µ, métallisés industriellement sur une seule face. Après charge du
film à un potentiel connu par une décharge électrique, ou par contact avec
un rouleau semi-conducteur, le suivi de l'évolution naturelle du potentiel de
la surface a permis de reconstituer certains des mécanismes d'injection
ayant eu lieu pendant la charge, et se poursuivant ensuite [3].
Mise en évidence de l'injection
Lorsqu'on charge un isolant à un potentiel élevé, des phénomènes physiques
de nature différente se superposent généralement : si on exclut les phénomènes de conduction ou de décharge de surface et la neutralisation par le gaz
environnant pour ne retenir que les phénomènes internes, restent la polarisation du matériau sous l'influence du champ appliqué, et l'injection de la
charge déposée dans le film. La signature spécifique de l'injection est la dissymétrie (entre charge positive et négative) de la réponse du matériau.
Un exemple de réponse caractéristique de l'injection de charge est donné sur
la figure 1 : pour des films de polypropylène chargés par décharge corona sur
leur face libre, on observe le croisement des courbes V(t), et les profils de
charge font apparaître des « points faibles », où l'injection a été maximale.
Un traitement mathématique simple des enregistrements de l'évolution de
potentiel permet de mettre en évidence des « pics » qui sont caractéristiques
de la dynamique dans le temps de l'injection de charge dans le film : en polarité positive, seul le pic B est visible (pour des temps de l'ordre de l'heure),
qui est attribué à l'injection, activée par la température, des ions déposés
par la décharge couronne. En polarité négative, s'y ajoute un phénomène
plus rapide (réponse de l'ordre de la seconde) d'injection électronique, qui
est surtout activé par le champ électrique, et par l'énergie apportée par la
décharge (pic A).
Recherche Research
Figure 2 : Données traitées, en polarité positive et négative
References
[1] P. Molinié, “Measuring and Modeling Transient Insulator Response to
Charging: the Contribution of Surface Potential Studies”, IEEE
Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation vol.12, pp. 939-950,
2005.
[2] P. Molinié, “Charge injection in corona-charged polymeric films: potential decay and current measurements”, Journal of Electrostatics, vol. 45,
pp 265-273, 1999.
[3] P. Llovera, P. Molinié, “New methodology for surface potential decay
measurements applications to the study of charge injection dynamics on
polypropylene films”, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical
Insulation, vol.11, pp 1049-1056, 2004.
2009 / 2011
117
7.
ÉNERGIE
ENERGY
7.6
Modélisation de systèmes électromagnétiques :
matériaux, CEM, CAO et CND
Modeling of electromagnetic systems:
materials, EMC, CAD and NDT
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 :
• 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.
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 of energy
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;
• study of practical examples;
• development of researches dealing with the modeling of constitutive law
of materials used in electrical engineering;
• modeling of electrical actuators.
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Sujets
Topics
1. Modélisation de matériaux
Lois de comportement de matériaux : « micro-ondes », supraconducteurs, matériaux actifs.
Homogénéisation de matériaux hétérogènes.
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.
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. 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.
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.
Claude MARCHAND
LGEP - Équipe COCODI
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 16 58
118
Lionel PICHON
Adel RAZEK
LGEP - Équipe ICHAMS
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 16 58
LGEP - Département MOCOSEM
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 16 55
7.6 Modélisation de systèmes électromagnétiques
Modeling of electromagnetic systems
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Modélisation de l'effet magnétoélectrique
Modelling of the magnetoelectric effect
Laurent Daniel, Xavier Mininger,
Frédéric Bouillault et Romain Corcolle
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Résumé
Les couplages multiphysiques sont aujourd'hui à l'origine de nombreuses applications. Des outils de modélisation pertinents
sont nécessaires afin de concevoir des dispositifs optimisant le couplage des différentes grandeurs physiques. Cet article présente succinctement deux approches de modélisation complémentaires appliquées à l'effet magnétoélectrique. Une par homogénéisation, basée sur des informations statistiques des matériaux, permet d'estimer le comportement macroscopique (calcul analytique : temps de calcul minime). La seconde approche basée sur la méthode des éléments finis présente l'avantage de fournir
une description complète des différents champs.
Introduction
Coupled behavior is a long-standing domain of interest in physics. The possibility of applications such as sensors or actuators, relying on these multiphysics coupling effects have made these materials receive more and more
attention in the past years. In order to design properly these different applications, advanced modelling tools are needed. Phenomenological macroscopic approaches can give a first description. These approaches proved to be
very efficient in the case of homogeneous materials. But a promising issue
is the development of sensors and actuators made of composite materials.
The properties of each constituent can then be combined to obtain optimal
macroscopic properties. In those cases, all the more if the composition of the
composite material has to be optimized, a phenomenological macroscopic
approach is not suitable anymore. This is particularly true when the observed macroscopic coupling effect is not observed in any of the constituent of
the composite. It is the case of composites made of piezomagnetic and piezoelectric phases: these composites exhibit a macroscopic magnetoelectric
(ME) effect, whereas none of the phases exhibit such an effect (Fig. 1).
Figure 3: Effective magnetoelectric moduli depending on the
volumetric fraction f of the piezoelectric phase.
Finite element approach
The thermodynamical model is based on the association of a magnetoelastic nonlinear model and a piezoelectricity linear one. From the minimization of functional energy, finite element (FE) formulations of the
magneto-elastic and electro-elastic problems are established. The FE discretization leads to an algebraic equation system with magnetic, mechanical and electric equations, linked by coupling terms. The resolution of this
non-linear system is obtained with an iterative fixed-point method. Figure
4 presents the magnetic induction obtained from this resolution, considering a representative material sample, with Terfenol-D (magnetostrictive
material) inclusions in a piezoelectric matrix.
Figure 1 : Magnetoelectric coupling
In order to study this magnetoelectric effect, two approaches are here presented: analytical homogenization and finite element modelling.
Homogenization
We consider a heterogeneous material constituted of n phases. The constitutive law for each phase i is known. The objective is to deduce the constitutive law of the equivalent homogeneous medium (EHM). This EHM exhibits, for a given loading, the same macroscopic response than the real heterogeneous medium (RHM). This process relies on the definition of localization operators, defining the local fields in phase I from the knowledge of the
macroscopic loading. In order to build these localization operators, a homogenization model based on inclusion problems is used [1]. This method
divides the problem of a n-phasic material into n-independent basic inclusion problems (Fig. 2). Indeed the mean response of the phase i is supposed
to be the same as the response of an inclusion of phase i embedded in an
infinite-loaded medium.
Figure 4: Magnetic induction for inclusion problem
Coefficients of the coupling magnetoelectric matrix are then obtained with
an averaging of the different physical quantities.
References
[1] R. Corcolle, L. Daniel, and F. Bouillault, “Generic formalism for homogenization of coupled behavior: Application to magnetoelectroelastic
behavior”, PHYSICAL REVIEW B, 78, 214110, 2008.
Figure 2: Homogenization based on inclusion problems
Fig. 3 gives the resulting magnetoelectric moduli considering a composite
made of a piezomagnetic matrix (CoFe2O4) reinforced with cylindrical piezoelectric fibers (BaTiO3).
Recherche Research
[2] N. Galopin, X. Mininger, F. Bouillault et L. Daniel, “Finite element
modelling of magneto-electric sensors,” IEEE Transactions on Mag., vol.
44, n°6, 2008.
2009 / 2011
119
7.
ÉNERGIE
ENERGY
7.7
Contacts électriques
Electrical contacts
Le domaine des contacts électriques se situe à la frontière de plusieurs
disciplines : il met en jeu des phénomènes électriques, mécaniques, thermiques - éventuellement couplés, auxquels s'ajoutent la topographie et la
physico-chimie des surfaces.
Sur cette base, l'objectif général des travaux de notre équipe est de faire
progresser les connaissances scientifiques attachées à ces différents
aspects, tout en répondant à l'évolution des problématiques industrielles.
Pour y parvenir, nos activités se partagent entre d'une part, la conception,
la réalisation et l'exploitation de nombreux bancs de mesures et moyens
de caractérisation, et d'autre part le développement de modèles phénoménologiques, analytiques et numériques. Nous nous appuyons pour cela à la
fois sur une forte activité contractuelle et sur de nombreux partenariats
académiques.
The field of electrical contacts addresses several scopes of physics, since
electrical, mechanical and thermal phenomena -sometimes coupled - are
involved, to which must be added topography and physico-chemical properties of surfaces.
In this context, our research activities aim to improve the scientific knowledge regarding each physical angle, as well as to bring concrete answers to
industrial problems.
To reach this purpose both experimental and theoretical approaches are
considered, with on one hand the design and running of several homemade test benches and characterization equipments, and on the other hand
phenomenological, analytical and numerical modelling. These activities
are strongly linked to academic collaborations and largely funded by
industrial partnerships.
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Sujets
Topics
1. Contacts bas niveau : fiabilité et revêtements innovants
Nous nous intéressons aux propriétés électriques, mécaniques (frottement, adhésion) et de surface des contacts bas-niveau, afin de comprendre leurs mécanismes de dégradation et d'améliorer leur fiabilité
par la mise au point de revêtements innovants. On recherche ainsi les
conditions d'élaboration des meilleures couches de protection des surfaces métalliques vis-à-vis de l'usure et de la corrosion. On étudie également différents types de films composites ultraminces plus ou moins
fortement ancrés sur les substrats.
1. Low-level contacts: reliability and innovative coatings
Electrical, mechanical (friction, adhesion) and surface properties of lowlevel contacts are studied in order to understand their degradation
mechanisms and improve their reliability by the elaboration of innovative coatings. In this way, layers insuring a better protection of metal surfaces (Au, Ni, Ag, Sn, Cu) against wear and corrosion are investigated.
We are also studying various types of ultrathin composite coatings more
or less strongly bounded to the substrate.
2. Microscopies en champ proche et nanocontacts
Nous développons des techniques originales de mesures électriques
locales dérivées de la microscopie AFM. Le "Résiscope" permet de réaliser, à la surface de nombreux matériaux, des cartographies simultanées
de la topographie et de la résistance électrique. Son extension, le
"Capascope", ajoute l'accès à la capacité pointe/surface locale. Outre les
possibilités de caractérisation à l'échelle microscopique des revêtements de contacts, ces outils permettent d'aborder la physique du nanocontact.
3. Contacts de puissance
Un premier axe des travaux porte sur l'étude des phénomènes électriques, mécaniques et thermiques liés au passage du courant et leur
modélisation rendue complexe par les couplages ; les applications
concernent dans ce cas les contacts fermés (échauffement, soudure statique, soudage par résistance…). D'autre part nous nous intéressons
aux phénomènes liés aux interactions arc-électrodes : érosion, mesure
de température d'électrode, transition glow-arc.
2. Scanning probe microscopies and nanocontacts
Our main activity concerns the development of additional capabilities
for atomic force microscopy, in order to get local electrical measurements.
The “Resiscope” add-on device allows simultaneous maps of topography
and electrical resistance on all kinds of material. Its extended version
“Capascope” gives a third information regarding local capacitance.
Beyond the characterization of contact coatings at a microscopic scale,
these devices open the way to the nanocontact physics.
3. Power contacts
A main axis of our work is devoted to the study of the electrical, mechanical
and thermal phenomena occurring in a contact submitted to a high current
and their modelling - complicated by coupling effects. Applications are heating and/or welding in closed power contacts and “resistance welding”. An
other axis of investigation concerns arc-electrode interactions phenomena
such as metal erosion, measurement electrode temperature measurement,
glow-arc transition.
Frédéric HOUZÉ
Sophie NOËL
Philippe TESTÉ
LGEP - Équipe CE
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 16 74
LGEP - Équipe CE
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 16 43
LGEP - Équipe CE
Campus de Gif
Tél. : 33 (0) 1 69 85 16 52
120
7.7 Contacts électriques
Electrical contacts
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Mechanical and Electrical study of Fluorinated Diazonium Films
from a Nanocontact viewpoint
Etude mécanique et électrique d'un nanocontact mettant en œuvre
des films de diazonium fluorés
David Alamarguy
Sophie Noël
Frédéric Houzé
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Résumé
L'utilisation des contacts électriques bas-niveau dans des conditions environnementales de plus en plus extrêmes (ultravide,
haute température…) et la miniaturisation des systèmes électromécaniques (MEMS) impliquent l'étude de nouveaux matériaux
permettant une meilleure fiabilité de ces contacts. Les revêtements présentés ici sont des films organiques nanométriques greffés par voie électrochimique sur des revêtements d'or afin de limiter la migration des molécules. Les propriétés électriques et
mécaniques de ces films ont été étudiées simultanément à l'aide d'un microscope à force atomique disposant d'une pointe
conductrice.
Introduction
Thin organic films are required in many applications where friction and wear
are cause of degradation of the electrical properties. When these films are
liquid, depletion phenomena occur: liquid lubricants are thus not suitable in
extreme conditions such as ultra high vacuum, high temperature, or for micro
electromechanical systems. For several years, we have been studying Self
Assembled Monolayers as coatings for low level electrical contacts [1]. The aim
of the study presented here is to investigate molecular species yielding a more
stable covalent bond with gold. Aryl diazonium salt thin films could be one of
these species and thus their mechanical and electrical properties are investigated here. The organic film grafting was obtained by electrochemical reduction of the diazonium salts presented in Figure 1.
The Atomic Force Microscope (AFM) allows to investigate atomic scale phenomena. In the present paper, AFM was combined with a homemade widerange current measurement system to investigate simultaneously the
mechanical and electrical microscopic interactions between the conductive
tips (doped diamond coated) and the diazonium salts thin films electrografted on gold surfaces, as a function of the applied force during tip/sample
approach and withdrawal.
This study has been performed in collaboration with the Chemistry of
Surfaces and Interfaces Laboratory (CEA Saclay DSM-DRECAM-SPCSI)
and the “Chimie, Ingénierie Moléculaire d'Angers” Laboratory (University
of Angers), in the framework of the ANR program “NanoConnect”.
The H2F6 fluorinated diazonium salt modified gold electrode presented a
very different behaviour. In Figure 3, during the approach phase, just after
the jump-to contact (position A), a slow increase of the attractive force takes
place (to point B), showing that the film is bonded to gold surfaces but the
top is not compact enough and not very well organised to push the tip back.
Then the repulsive forces dominate and the electrical current is detected after
a further displacement (to point C), showing that the film is more compact at
this depth. Then the resistance value drops down quickly and steadily to the
value corresponding to the tip/gold electrical contact (point D). The load necessary to go through the film (point A to point D) is about 140nN.
Figure 2: D-R curves acquired with a conducting tip on H8 diazonium salt
modified gold electrode (inset: deflection around the jump-to-contact). These
curves display the deflection D at the top and the resistance R at the bottom during the approach of the sample in grey, and during the withdrawal
in black.
Figure 1: Chemical structure and abbreviation used throughout
the article for the diazonium salts used as starting molecules for the grafting of the organic films.
Results
The AFM lever deflection D and the "apparent contact resistance" R, defined as the bias voltage U (1 Volt) divided by the tip/sample current measured i, are simultaneously acquired at a fixed location of the sample surface
during approach/withdrawal cycles, as a function of the sample displacement d.
Typical examples of D-R curves representative of many measurements
acquired at several locations of the surface are presented in Figure 2 and 3.
More details about the description of such curves have been reported in previous works [2, 3].
Figure 2 refers to an experiment performed on H8 diazonium salt modified
gold electrode. During the approach phase, after the mechanical contact between the tip and the film surface called jump-to-contact labelled on the figure as A, the repulsive forces immediately dominate and the sample must be
displaced to the point B to measure an electrical current. The sample must
be displaced further to see the resistance value dropping down rapidly to a
low and stable level
at point C corresponding to the true tip/gold
surface electrical contact. The load necessary to go through the diazonium
film (from A to C) is about 200nN. This value shows that the film is very
compact, confirmed by the observation of the repulsive forces just after the
jump-to-contact.
Recherche Research
Figure 3: D-R curves acquired with a conducting tip on H2F6
fluorinated diazonium salt modified gold electrode.
References
[1] S. Noël, N. Lécaudé, D. Alamarguy, "Grafting of bifunctional fluorinated polyether molecules on metallic surfaces: application to the protection
of electrical contacts", Surf. Interface Anal. (2006) 38, 4, 326.
[2] D. Alamarguy, O. Schneegans, S. Noël, L. Boyer, "Correlation between
the electrical and mechanical behaviours of a nanocontact with an alkanethiol monolayer", Appl. Surf. Sci. (2004) 225, 1-4, 309.
[3] D. Alamarguy, A. Benedetto, M. Balog, P. Viel, F. Le Derf, F. Houzé,
M. Sallé, S. Noël, S. Palacin, "Tribological and electrical study of
Fluorinated Diazonium Films as dry lubricants for electrical contacts",
Surf. Interface Anal. (2008) 40, 3-4, 802-805.
2009 / 2011
121

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