Добірка наукової літератури з теми "Aciers électriques à grains orientés"

Récemment, les gestionnaires de réseau et de système de transmission, comme le Réseau européen des gestionnaires de réseau de transport d'électricité (ENTSO-E), mettent en place des réglementations pour étendre la plage de fonctionnement des équipements connectés au réseau électrique. Les principaux objectifs de ces modifications sont : d'augmenter la flexibilité du réseau en le rendant capable de supporter des variations de fréquence et de tension (dues aux modifications de l'équilibre des puissances active et réactive) et de faciliter l'intégration et la production d'énergie renouvelable. Cependant, de nombreux équipements installés et raccordés au réseau n'ont pas été conçus pour être exploités dans ces plages de fonctionnement et leur utilisation dans ces conditions peut avoir un impact négatif sur le cycle de vie des équipements, en particulier dans les turbo-alternateurs.Les grands turbo-alternateurs, utilisés pour la production d'électricité dans les centrales nucléaires et hydroélectriques, sont impactés par ces nouvelles réglementations. Cet impact est particulièrement observé aux extrémités de ces machines électriques où les pertes fer sont susceptibles d'augmenter significativement. Ces pertes peuvent entraîner des échauffements, notamment des points chauds, qui peuvent conduire à la fusion de l’isolation entre les tôles du noyau du stator, provoquant ainsi des courts-circuits et des dommages irréversibles à l'équipement. Afin de pouvoir analyser et limiter l'impact des mécanismes physiques mis en jeu, la société EDF s’appuie sur des simulations numériques tridimensionnelles de la machine électrique pour calculer les pertes pour différents régimes de fonctionnement.Une partie de ce travail a déjà été réalisée au laboratoire L2EP, où le logiciel d'analyse par éléments finis code_Carmel a été adapté pour le calcul des pertes dans le noyau du stator et des pertes joule dans les modèles tridimensionnels. Cependant, la complexité physique des propriétés des circuits magnétiques aux extrémités des turbo-alternateurs doit être prise en compte pour obtenir des résultats fiables. En effet, compte tenu du schéma tridimensionnel du chemin du flux magnétique et des propriétés fortement anisotropes du circuit magnétique en acier électrique à grains orientés (GO), la description des pertes fer nécessite des modèles de matériaux magnétiques anisotropes précis combinés à une modélisation numérique efficace.Dans le cadre de ce travail de thèse, des modèles anisotropes dédiés aux aciers GO, notamment pour décrire la loi de comportement et les pertes fer, ont été étudiés puis implémentés dans un environnement de simulation par éléments finis (FEM) au sein du logiciel code_Carmel. La mise en œuvre a été validée par rapport à des données expérimentales obtenues sur un acier GO de qualité industrielle conventionnelle généralement utilisée dans les turbo-alternateurs. De plus, un démonstrateur expérimental a été développé pour étudier plus finement le comportement magnétique d'un empilement de tôles GO soumis à des excitations de flux magnétique 3D non conventionnelles. Un modèle numérique du démonstrateur expérimental a été développé et étudié, incluant les modèles de matériaux anisotropes, en comparant le comportement global du matériau GO ainsi que les pertes de fer dans l'échantillon d'intérêt.Les résultats montrent que, dans des configurations d'attaque de flux magnétique non conventionnelles, en particulier avec une attaque de flux magnétique normale au plan de laminage, les caractéristiques anisotropes de l’acier GO peuvent influencer la distribution du flux magnétique dans l'empilement de tôles étudié ainsi que les pertes de fer associées. Notamment, et comme attendu, les pertes par courants de Foucault classiques constituent la contribution majeure aux pertes fer dans l’empilement de tôles étudiées
Recently, network and transmission system operators like the European Network of Transmission System Operators of Electricity (ENTSO-E) have started to create regulations to extend the range of operation of the equipment connected to the electrical grid. The main purposes of these changes are: to increase the flexibility of the grid by making it able to withstand variations of frequency and voltage (due to alterations in the active and reactive power balance), and to ease the integration of renewable energy generation. However, many of the installed equipment connected to the grid have not been conceived to be exploited in these operating ranges and their use under these conditions will have a negative impact, especially on the turbo-generators life cycle.Large turbo-generators, used for the generation of electricity in nuclear and hydroelectric power plants, are affected by these new regulations. This impact is especially evident at end-regions of these electrical machines, where the iron losses are likely to increase significantly. These losses can lead to overheating, in particular hot points which can lead to the melting of the insulation layers between the lamination of the stator core, causing short-circuits and irreversible damage to the equipment. To be able to analyze and limit the impact of the involved physical mechanisms, the EDF Company works with tridimensional numerical simulations of the electrical machine to calculate the losses under different regimes of operation.Part of this work has already been realized in the L2EP laboratory, where the finite element analysis software code_Carmel have been adapted for the calculation of core losses and joule losses in tridimensional models. However, the physical complexity of the magnetic circuit properties at the end-regions of turbo-generators must be accounted for, in order to have reliable results. Indeed, considering the tridimensional pattern of the magnetic flux path and the strongly anisotropic properties of the magnetic circuit made from grain oriented electrical steel (GOES), the description of the iron losses requires accurate anisotropic magnetic material models combined with an efficient numerical modelling.In the framework of this PhD work, anisotropic GOES models, related to the behavior law and iron losses, have been studied and successfully implemented in a finite element method (FEM) simulation environment within the software code_Carmel. The implementation has been validated against experimental data achieved on an industrial conventional GO grade typically used in turbogenerators. Also, an experimental demonstrator has been developed to investigate more closely the magnetic behavior of a lamination stack made of GOES under non-conventional 3D magnetic flux excitations. A numerical model of the experimental demonstrator has been developed and studied with the implemented material models by comparing the global behavior of GOES as well as the iron losses in the sample of interest.The results show that under non-conventional magnetic flux attack configurations, especially with a magnetic flux attack normal to the lamination plane, the anisotropic characteristics of the GOES can influence the magnetic flux distribution within the lamination stack and the associated iron losses. In particular, the classical eddy current losses constitute, as expected, the most significant contribution of the total iron losses in the GOES laminations

Le travail présenté porte sur la définition et le développement d’un circuit magnétique pour moteurs à haut rendement de faible et moyenne puissances. Il est réalisé avec des tôles à Grains Orientés (GO) non-segmentées. Des expérimentations réalisées en champ unidirectionnel, destinées à comparer les caractéristiques globales de la structure GO à celles obtenues sur un assemblage classique composé de tôles à grains Non-Orientés (NO), permettent de conclure quant à l’efficacité de l’association proposée en termes de pertes fer. Des investigations au niveau local, accompagnées d’une modélisation numérique, conduisent à une analyse de la répartition interne du flux magnétique dans la structure, permettant de l’optimiser. Cette technique d’assemblage est ensuite testée en champ tournant sur des moteurs statiques. Les performances obtenues, sont de nouveau comparées à celles relevées sur une maquette NO. L’étape finale consiste à tester le principe développé sur des moteurs à induction réalisés avec la configuration GO. Diverses caractéristiques sont relevées ou estimées (norme CEI) et comparées à celles de la machine NO d’origine. L’efficacité de la structure GOse traduit par une réduction notable des pertes fer, notamment statiques, conduisant à accroître sensiblement le rendement global de la machine
The work presented is focused on the design and development of a magnetic circuit for high efficiency motors of medium and small powers. It is built with non-segmented laminations of Grain Oriented (GO) steel. Experimentations on magnetic circuits excited under unidirectional magnetic field are performed. Such tests aim the comparison of the GO structure global characteristics with those of a classic one composed of Non-Oriented (NO) steel, allowing seeing the superiority of the GO structure in terms of iron losses. Local experimentations, followed by a numerical model, allow the analysis of the local distribution of the magnetic flux within the structure, leading to its optimisation. Such technique of assembly is then tested under rotational magnetic field. In that context, several experimentations are performed and its performance is compared with the one of a NO prototype. The final stage consists in testing the developed structure in induction motors built withthis GO assembly. Several characteristics are measured or estimated (IEC standard) and compared with those obtained on the initial NO motor. The GO structure efficiency leads to a remarkable reduction of the static losses, allowing the increase of the global efficiency of the motor

Le transformateur est aujourd’hui l’un des convertisseurs statiques les plus utilisé notamment dans la distribution électrique. Les tôles magnétiques servant à la construction de leurs circuits magnétiques sont devenues de plus en plus performantes permettant une réduction des pertes produites. Néanmoins, les tests normalisés permettant de caractériser les tôles magnétiques ne reflètent pas totalement le comportement énergétique du transformateur. De plus, une autre problématique a gagné en importance durant ces dernières années : le bruit acoustique émis. Malheureusement, il n’y pas encore de lien entre la qualité de la tôle à grains orientés choisie pour construire le circuit magnétique et le bruit acoustiques que va produire celui-ci. L’objectif de cette thèse est de répondre à cette double problématique à partir de tests simplifiés. En effet, de nombreux dispositifs expérimentaux et méthodologies ont été développés tels que la méthode des trois cadres, permettant d’étudier la répartition des pertes fer dans le transformateur, les circuits magnétiques décalés, permettant d’étudier les phénomènes à l’origine des bruit acoustique, et des modèles de transformateurs monophasés et triphasés. De plus, des simulations numériques ont été effectuées afin d’approfondir nos analyses des résultats expérimentaux. L’étude des dispositifs ont permis de mettre en évidence trois paramètres relatifs à la qualité des tôles magnétiques, entrainant des différences de répartition d’induction set donc des différences de répartition de pertes fer, d’une part, et de bruit acoustique dans les transformateurs, d’autre part
The transformer is now a static converter most notably used in electrical distribution. The electrical steel sheet used in the construction of their magnetic circuits have become more efficient to reduce losses occurred. However, standardized tests to characterize the electromagnetic steel do not fully reflect the energy behavior of the transformer. In addition, another issue has gained importance in recent years: the acoustic noise. Unfortunately, there is no link between the quality of grain oriented steel selected to construct the magnetic circuit and acoustic noise that will produce it. The objective of this thesis is to answer this dual problem from simplified test. Indeed, many experimental devices and methodologies have been developed such as the method of three frames, to study the distribution of core losses in the transformer, the magnetic circuits shifted, to study phenomena at the origin of acoustic noise, and models of single and three phase transformers. In addition, numerical simulations were performed to deepen our analysis of the experimental results. The study of the devices have allowed to identify three parameters relating to the quality of grain oriented electrical steel, resulting from differences in the distribution of the flux density and therefore, first, the differences in distribution of core loss and, hand, acoustic noise in transformers

Les travaux présentés dans cette thèse s'inscrivent dans le cadre de l'analyse et la modélisation de la distribution du champ magnétique dans les machines électriques à circuit magnétique feuilleté avec des tôles à grains orientés. L'anisotropie des tôles magnétiques des transformateurs induit des phénomènes 3D complexes au niveau des joints magnétiques où les tôles se chevauchent. Concernant l'augmentation de l'efficacité énergétique des machines tournantes, de nouvelles structures à base de tôles à grains orientés font leur apparition. Néanmoins, simuler finement en 3D un paquet de tôles minces recouvertes d'un isolant de quelques microns d'épaisseur conduit à des temps de calculs très importants.Dans cette optique, nous présentons une méthode d'homogénéisation dont le but est de définir les caractéristiques magnétiques équivalentes d'un empilement quelconque de tôles et d'entrefers. Sa formulation est basée sur la minimisation de l'énergie et la conservation du flux magnétique. Les résultats de cette méthode appliquée à un joint magnétique de transformateur à joints step-lap sont confrontés à des mesures expérimentales et à un modèle élément fini 3D. Ce dernier requiert de connaître les caractéristiques magnétiques des tôles dans les directions de laminage, transverse et normale. La détermination de la perméabilité des tôles dans la direction normale est problématique et constitue un point original de notre étude. Deux méthodes, analytique et numérique, s'appuient sur les mesuresd'un banc de caractérisation en régime statique pour déterminer cette perméabilité normale
This thesis focuses on the analysis and the modeling the magnetic flux distribution in electrical machines with anisotropic laminated magnetic circuit. The anisotropy of magnetic sheets in transformers induces complex 3D phenomena in step-lap magnetic joints where the sheets are overlapped. Moreover, in order to increase the energy efficiency of rotating machines, new structures based on grain-oriented electrical steel are developed.However, an accurate 3D simulation of a laminated core with thin sheets and insulation of a few microns leads to very large computation time. In this context, we present a homogenization method, which purpose is to define the equivalent magnetic characteristics of any laminated core made of sheets and air gaps. Its formulation is based on the energy minimization and the magnetic flux conservation. The results of this method applied to a step-lap magnetic joint are compared with experimental measurements and a 3D finite element model. The latter requires to know the magnetic characteristics of the sheets in the rolling, transverse and normal directions. The determination of the sheets permeability in the normal direction is problematic and it constitutes an original point of our study.Two methods, analytical and numerical, based on measurements obtained with a static characterization bench makes possible the determination of the normale permeability

Les bobinages des machines électriques tournantes actuelles sont, pour la plupart, isolés avec des matériaux issus de la chimie organique. La limite en température des bobinages actuels se situe au-dessous de 240°C. L’augmentation significative de la température de fonctionnement d’une machine permettrait d’envisager, indirectement, une augmentation de la densité de courant dans les conducteurs actifs. Dans ces conditions, ces nouvelles machines peuvent présenter une puissance, tant massique que volumétrique, supérieures à celles exploitées actuellement. De plus, les matériaux magnétiques permettent vraisemblablement de fonctionner jusqu’à 800°C. La limite technologique actuelle pour les machines est clairement l’isolant des conducteurs électriques. Ce sujet de thèse propose de définir une approche théorique couplée à des validations expérimentales pour définir les matériaux les mieux adaptés aux machines hautes températures en termes de mise en œuvre et de performances électriques. La conception, repensée autour du bobinage, sera concrétisée par le calcul d’une machine asynchrone à haute température (400°C au cœur du bobinage). Le bobinage devra être placé au cœur de la démarche de conception des machines en adaptant les formes et les propriétés des circuits magnétiques aux caractéristiques des nouvelles bobines
The windings that are currently used in electrical machines are mostly insulated based on organic insulation. The temperature limit of these windings is up to 240°C. Increasing the working temperature of electrical motors means, indirectly the increasing of current density on the main conductors. Therefore these new motors may provide a higher mass and volume power as classical machines. Furthermore, the magnetic materials can work up to 800 °C. Indeed, in reality technical limit today is the wire insulation. The objective of thesis is to define a theoretical approach combined with experimental validations for identify the appropriate electrical materials used on high-temperature electrical machines. Design is fixed around the winding, that will implemented by calculating a high-temperature asynchronous machine (400°C of windings). The windings are placed as the base of machine design and will determine the geometrical shape and properties of magnetic core