Contribution à la Modélisation Electrique, Electromagnétique et Thermique des Transformateurs -
Description
A-PDF Split DEMO : Purchase from www.A-PDF.com to remove the watermarkUNIVERSITE DE NANTES ECOLE DOCTORALE SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE L’INFORMATION ET DES MATÉRIAUX Année 2006 Thèse de Doctorat de l’Université de Nantes Spécialité : Electronique et Génie Electrique Présentée et soutenue publiquement par Anthony LEFEVRE Ingénieur Polytech' Nantes Le 27 octobre 2006 à l'Ecole Polytechnique de l'Université de Nantes – site de Saint Nazaire CONTRIBUTION A LA MODELISATION ELECTRIQUE, ELECTROMAGNETIQUE ET THERMIQUE DES TRANSFORMATEURS Application à l'étude de l'échauffement sur charges non linéaires Jury : Rapporteurs : M. Abderrezak REZZOUG Professeur – UHP – GREEN – Vandoeuvres les Nancy M. Francis PIRIOU Professeur – USTL – L2EP – Villeneuve d’Ascq Examinateurs : M. Olivier MOREAU Ingénieur Chercheur – Electricité de France R&D – Clamart M. Javad FOULADGAR Professeur – IUT Saint-Nazaire – IREENA Saint-Nazaire M. Guy OLIVIER Professeur – Ecole Polytechnique de Montréal Mlle. Laurence MIEGEVILLE Maître de conférences – Polytech’Nantes – IREENA Saint-Nazaire Directeur de Thèse: Professeur Javad FOULADGAR Laboratoire : IREENA – 37, Boulevard de l’Université, BP 406, 44602 Saint-Nazaire Cedex Composante de rattachement du directeur de thèse : IUT de Saint-Nazaire Co-Directeur de Thèse : Professeur Guy OLIVIER Laboratoire : ...
Informations
| Publié par | Ormya |
| Nombre de lectures | 224 |
| Langue | Slovak |
Extrait
- Avant - Propos -
Les travaux présentés dans ce mémoire ont été effectués à la fois au sein de lInstitut de Recherche en Electronique et Electrotechni que de Nantes-Atlantique (IREENA, site de Saint-Nazaire), ainsi quau laboratoire de gé nie électrique de lEcole Polytechnique de Montréal. Je souhaite tout dab ord exprimer mes plus sincères remerciements à chacun des membres du jury qui, malgré leurs responsabilit és, ont bien voulu me consacrer du temps : MonsieurAbderrezak Rezzoug, Professeur à lUniversité Henri Poincaré de Nancy et Directeur du Groupement de Recherche en El ectrotechnique et Electronique de Nancy, pour lintérêt quil a su porter à ces travaux en tant que rapporteur et président du jury. MonsieurFrancis Piriou s, Professeur à lUniversité de Sciences et Technologies de Lille et responsable de léquipe modélisa tion, étude et conception des système s électromagnétiques au sein du laboratoire dél ectrotechnique et délectronique de puissance de Lille, pour avoir accepté de rappo rter mon travail et son analyse fine. MonsieurOlivier Moreau, Ingénieur Chercheur à Electricité de France R&D Département Technologies et Economie des Systèmes Electriques, Groupe Machines Electrique, Equipe de Modélisation, pour sa participation et ses remarques avisées. MonsieurJavad Fouladgar et responsable du t-Nazaire, Professeur à lIUT de Sain pôle énergie au sein de lIREENA, pour son implication exemplaire dans ces travaux, ses compétences scientifiques exceptionnelles, sa très grande disponibilité et sa patience. MonsieurGuy Olivier, Professeur à lEcole Polytechni de Montréal, pour mavoir que transmis le goût de la recherche en partic ulier lors de mon stage de D.E.A et mavoir permis de disposer déquipements importants . Mes remerciements vont également à toute sa famille pour son accueil "Québéco is" très chaleureux (pléonasme). MademoiselleLaurence Miègeville, Maître de Conférences à l'Ecole Polytechnique de l'Université de Nantes, pour avoir subie le s tracas des administrations française e t canadienne et m'avoir offert la possibilité d' utiliser un transformateur de test adapté. Je remercie enfin MonsieurRadu Cojocaru (Marcus Transformer), tous les personnels administratifs et techniques ains i que mes collègues. En particulier Monsieur Marc Charbonneau de Montréal pour toute son aide,, technicien à l'Ecole Polytechnique sa lucidité impressionnante et sa sagesse discrète.
AVANTPROPOS
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- Table des Matières -
TABLE DESMATIERES
Introduction Générale-...13-
Chapitre I - Le Transformateur sur Charges Non Linéaires.....-19-
I.1.INTRODUCTION.................................................................................................................. -21-I.2.TYPES DETRANSFORMATEURS.......................................................................................... -21-I.2.1. Transformateur à colonnes ........................................................................................ - 21 -I.2.1.1. Les Bobinages ........................................................................................... - 22-I.2.1.2. Le Circuit Magnétique ............................................................................... - 23 -I.2.1.3. Le Couplage .............................................................................................. - 24 -I.2.1.4. Limitations des Transformateurs à Colonnes ............................................... - 25 -I.2.2. Transformateur Cuirassé ........................................................................................... - 25 -I.2.2.1. Les Bobinages ........................................................................................... - 26 -I.2.2.2. La Cuve ................................................................................................... - 26 -I.2.2.3. Les Ecrans Electrostatiques ........................................................................ 27 --I.2.3. Transformateur en "double T" ................................................................................... - 27-I.2.3.1. Les Bobinages ........................................................................................... - 28 -I.2.3.2. Le Circuit Magnétique ............................................................................... - 28 -I.2.4. Autres Transformat eurs............................................................................................. - 28 -I.3.PERTES DANS LETRANSFORMATEUR................................................................................. -29-I.3.1. Modèle de Kapp ......................................................................................................... - 29 -I.3.2. Prise en Compte de la Fréquence .............................................................................. - 30 -I.3.2.1. Inductance de Magnétisation ...................................................................... - 30 -........I.3.2.2. Inductances de Fuite ...................................................................... ... - 31 -I.3.2.3. Résistance de Modélisation des Pertes Fer ................................................... - 31 -I.3.2.4. Capacités Parasites ................................................................................... 31 --I.3.2.5. Résistances des Enroulements .................................................................... - 32 -I.3.3. Pertes dans le Noyau Ferromagnétique ..................................................................... 34 --I.3.4. Pertes dans la Tôle et la Structure ............................................................................ - 35-I.3.5. Pertes Diélectriques ................................................................................................... 36- -I.3.6. Pertes dans les Enroulements .................................................................................... - 36 -I.4.ECHAUFFEMENT................................................................................................................ -37-I.4.1. Classes Thermiques dIsola tion et Milieux Réfrigérants.. ........................................... - 37 -I.4.2. Mesures et Calculs de Température ........................................................................... - 39 -................I.5.DECLASSEMENT................................................................................................. -40 -I.5.1. Facteurs de Déclassement .......................................................................................... - 41 -I.5.2. Transformateur de type K ......................................................................................... - 43 -I.6.VIEILLISSEMENT................................................................................................................. -44-I.6.1. Contraintes Thermiques ............................................................................................ - 44 -
A. LEFEVRE Contribution à la modélisation électrique, électromagnétique et thermique IVdes transformateurs : Application à l'étude de l'échauffement sur charges non linéaires.
- Table des Matières -
I.6.2. Contraintes Electriques .............................................................................................. - 44 -I.7.CONCLUSION...................................................................................................................... -45-Chapitre II - Méthodes de Modélisation des Transformateurs....-47 -
II.1.INTRODUCTION................................................................................................................. -49-II.2.MODELESELECTROMAGNETIQUES.................................................................................... -49-II.2.1. Equations Electromagnétiques.................................................................................. - 49 -II.2.1.1. Equations de Maxwell ............................................................................... - 50 -II.2.1.2. Relations Constitutives des Matériaux ........................................................ - 50 -II.2.1.3. Conditions de Passage .............................................................................. - 51 -II.2.1.4. Conditions aux limi tes spatiales et temporelles ............................................ - 51-II.2.1.5. Conditions de Jauge ................................................................................. - 52 -II.2.1.6. Régime Harmonique et Etat Quasi Stationnaire .......................................... - 52 -II.2.1.7. Bilan des Puissances Electromagnétiques .................................................... - 53 -II.2.2. Différentes Formulations Electromagnétiques .......................................................... - 53 -II.2.2.1. Formulation en Potentiel Vecteur Magnétique AV, A*................................. - 54 -II.2.2.2. Formulation en Champ Magnétique H ........................................................ - 55 -II.2.2.3. Formulation en Potentiel Vecteur Electrique T -Ω 55 -..................................... -II.2.2.4. Formulation en Pote ntiel Scalaire Magnétiqueφt,φr 56 -.................................... -II.2.2.5. Synthèse du Choix des Formulations .......................................................... - 57 -II.2.2.6. Prise en Compte de la Saturation du Circuit Magnétique ............................. - 58 -II.3.METHODE DESCIRCUITSCOUPLES(M2C)........................................................................ -59-II.3.1. Théorie Générale de la M2C..................................................................................... - 59 -...........II.3.2. Interaction entre les Eléments de Circuits ..................................................... - 60 -II.3.3. Cas Axisymétrique ................................................................................................... - 61 -......................II.3.3.1. Expressions des Indu ctances Propres et Mutuelles ................. - 62 -II.3.3.2. Modélisation du Noyau par des Densités Superficielles ................................. - 63 -II.3.4. Cas Cartésien ........................................................................................................... 65 --II.3.4.1. Expression des Inductances Propres et Mutuelles ......................................... - 65 -II.4.MODELETHERMIQUE....................................................................................................... -67-II.4.1. Synthèse des Différents Echanges ............................................................................. - 67 -II.4.2. Equations de Transfert de Chaleur .......................................................................... - 69 -II.4.2.1. Conduction .............................................................................................. - 69 -II.4.2.2. Convection .............................................................................................. - 70 -II.4.2.3. Rayonnement ........................................................................................... - 70 -II.5.COUPLAGEELECTROMAGNETIQUE ETTHERMIQUE.......................................................... -71-II.6.METHODES DERESOLUTION 71............................... --..............................................................II.6.1. Résolution par la Méthode des Eléments Finis (MEF) ............................................. - 71 -II.6.2. Algorithme de Cal cul ............................................................................................... - 72 -II.7.CONCLUSION................................................................................................................... -75-.
A. LEFEVRE Contribution à la modélisation électrique, électromagnétique et thermiqueV des transformateurs : Application à l'étude de l'échauffement sur charges non linéaires.
- Table des Matières -
Chapitre III - Modélisation par la Méthode des Circuits Couplés.-77-
..........III.1.INTRODUCTION..................................................................................................... - 80-III.2.HYPOTHESES DEMODELISATION..................................................................................... -81-III.2.1. Tension d'Alimentation et Couplage Harmonique ............................ - 81 -....................... III.2.2. Influence des Enroulements Voisins ........................................................................ - 81-........III.2.3. Etude de la Gamme de Fréquence ................................................................. . - 82 -III.3.MODELISATION DESENROULEMENTS............................................................................... -84-III.3.1. Discrétisations des Conducteurs .............................................................................. - 85 -III.3.2. Application de la Méthode des Circuits Couplés (M2C) ......................................... - 86 -III.3.2.1. Equations Caractéristiques en Axisymétrique ............................................. - 86 -III.3.2.2. Extension au Bobinage Complet ............................................................... - 87 -III.3.3. Prise en Compte de la Source ................................................................................. - 88 -................................III.3.3.1. Formulation en Alimentation en Tension ...... ............ - 88 -III.3.3.2. Formulation sur Sources de Courant ........................................................ - 90 -III.4.PRISE ENCOMPTE DUCIRCUITMAGNETIQUE.................................................................91--III.4.1. Modélisation par Densités Superficielles de Courant ............................................... - 91 -III.4.1.1. Le Noyau en Approximation Axisy métrique ............................................... - 91 -III.4.1.2. Equation Caractéristique en Axisy métrique ............................................... - 92 -III.4.2. Assemblage Matriciel Complet sur Sources de Courant .......................................... - 94 -III.4.3. Optimisation de la Discrétisation ............................................................................ - 94-III.4.3.1. Application aux Conducteurs de Section Circulaire .................................... - 95 -......III.4.3.2. Application aux Conducteurs de Section Rectangulaire ......................... - 97 -III.4.3.3. Conservation de Courant dans les Spires .................................................. 100 --III.4.3.4. Influence de la Finesse de Discrétisation sur le Noyau ............................... - 101 -..............III.5.COUPLAGE AUXEQUATIONSTHERMIQUES 102....................................................... --III.5.1. Hypothèses de Modélisation .................................................................................. - 102 -III.5.1.1. Homogénéisation des Couches d'Enroulements ........................................ - 102 -.. III.5.1.2. Equation de Thermique en Axisymétrique ................................................ - 104 -III.5.1.3. Modélisation du noyau ........................................................................... - 104 -III.5.2. Choix des Paramètres ........................................................................................... - 105 -III.5.2.1. Conductivité Thermique ......................................................................... - 105 -III.5.2.2. Vérification sur un Cas Simple ............................................................... - 108 -III.5.2.3. Coefficients d'Echanges Convectifs .......................................................... - 109 -III.5.2.4. Prise en Compte du Rayonnement ........................................................... - 112 -III.5.3. Résolution par la Méthode des Eléments Finis (MEF) ......................................... - 113 -III.5.3.1. Méthodologie de Maillage ........................................................................ - 113 -III.5.3.2. Assemblage Matriciel pour Résolution par MEF ........................................ - 115 -III.6.VALIDATIONSEXPERIMENTALES..........................................................................-..........116-III.6.1. Présentation du Banc d'Essai ................................................................................ - 116 -III.6.2. Essai de Court-circuit à Fréquence Variable ......................................................... - 118 -
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