Contribution à la modélisation électrique, électromagnétique et thermique des transformateurs : application à l'étude de l'échauffement sur charges non linéaires

par Anthony Lefevre

Thèse de doctorat en Électronique et génie électrique

Sous la direction de Javad Fouladgar et de Guy Olivier.

Soutenue en 2006

à Nantes .


  • Résumé

    La généralisation des charges non linéaires dans l'industrie cause de nombreuses perturbations dans les réseaux électriques. Ainsi, les courants harmoniques augmentent les pertes dans les transformateurs, par le biais des effets pelliculaire et de proximité. Dès lors, ceux-ci sont assujettis à un sur échauffement. Afin d'éviter une défaillance diélectrique ainsi qu'un vieillissement prématuré, la température du point chaud ne doit pas excéder celle spécifiée par la classe. Néanmoins, pour une charge donnée il est difficile de prévoir le comportement électromagnétique et thermique d'un transformateur. L'objectif de cette thèse est donc de caractériser ce fonctionnement pour se prémunir lors de la phase de conception des nuisances ultérieures. Une première modélisation s'appuie sur une méthode analytique et axisymétrique permettant le calcul de la distribution des densités de courants dans les enroulements. Puis, après une homogénéisation des conducteurs, une méthode de résolution par éléments finis aboutit à l'obtention de la température en régime permanent. Enfin, la méthode est vérifiée sur un transformateur de type sec et de puissance modérée, associé à un banc expérimental innovant. Un second modèle propose une nouvelle approche analytique et numérique. Tout d'abord, une méthode des éléments finis 3D (MEF) permet le calcul du champ magnétique. Ce calcul non linéaire est alors associé aux équations de circuit. Puis, une MEF thermique 3D fournie la distribution de température. Finalement, le modèle couplé est appliqué à un transformateur de distribution de petite puissance et instrumenté pour vérifier le sur échauffement engendré par des courants non sinusoïdaux.


  • Résumé

    The widespread use of nonlinear loads in the industry is the source of several disturbances in the electrical network. Thus the current harmonics leads to increase the losses due to proximity and skin effects in the transformer windings. Therefore, the transformers become more sensitive to overheating. In order to avoid a dielectric failure as well as a premature ageing, the hot spot temperature must not exceed the prescribed insulating value. However, for a given nonlinear load it is difficult to predict the electromagnetic and thermal state of the transformer. The main objective of this research is to characterize the harmonic behaviour of the power transformer to prevent, at the design stage, these unexpected troubles. A first work presented in this thesis deals with an analytical and axisymétric method to compute the winding current density distribution. Then, the conductor layers are homogenised and a steady state thermal finite element calculation is applied to obtain the temperature map. Finally, the effectiveness of the proposed method is verified on a medium power dry type transformer loaded by an innovative experimental installation. A second model is based on a new analytical and numerical method. First a 3D finite element method (FEM) is applied to compute the magnetic field in the free and the iron spaces. This non-linear calculation is combined with a mixed form of the electrical circuit equation. Then a 3D thermal FEM allows to show the temperature distribution in the transformer. Finally this coupling model is applied to a small power distribution transformer with embedded sensors to verify the overheating effect of non sinusoidal currents.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (211 f.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliographie p. 195-211

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  • Bibliothèque : Université de Nantes. Service commun de la documentation. Section Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2006 NANT 2061
  • Bibliothèque : Université de Nantes. Service commun de la documentation. Section Technologies.
  • Disponible pour le PEB
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