Développement de méthodes d'analyse des contraintes sur les isolants inter-spires des bobinages des machines électriques

Development of stress analysis methods on turn-to-turn insulation of electrical machines winding.

• Auteur / Autrice : Mustapha Toudji
• Direction : Stéphane Duchesne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Electrique
• Date : Soutenance le 14/12/2017
• Etablissement(s) : Artois
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille ; 1992-2021)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Rain
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Duchesne, Pascal Rain, Noureddine Takorabet, Ruth Vazquez Sabariego, Guillaume Parent
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Noureddine Takorabet, Ruth Vazquez Sabariego

Mots clés

Mots clés contrôlés

Isolation électrique

Bobines d'induction

Détérioration

Actionneurs

Machines électriques

Mots clés libres

Bobinages des moteurs électriques

Fronts raides

Circuit équivalent

Outil numérique

Isolation inter-spires

Machine électrique

Diagnostique

Réponse fréquentielle du bobinage

Electrical machines windings

Sudden voltage variations

Equivalent circuit

Numerical tool

Turn-to-turn insulation

Electrical machine

Diagnosis

Winding frequency response

Résumé

Le passage à un réseau électrique de tension continue plus élevée est la solution la plus adaptée pour répondre à la demande en puissance, continuellement croissante, transitant dans les réseaux. Le contrôle des actionneurs électriques embarqués passe aujourd'hui par l’utilisation massive de convertisseurs électroniques qui imposent des fronts de tension très raides et donc des contraintes très sévères aux enroulements des machines. Les oscillations pseudopériodiques qui suivent ces fronts raides sont à l’origine de champs électriques intenses qui peuvent dépasser le Seuil d’Apparition des Décharges Partielles (SADP). Le dépassement de ce seuil conduit à l’apparition de Décharges Partielles (DP) qui sont particulièrement nocives et qui sont responsables d'une dégradation très rapide du système d’isolation électrique (SIE). Ce phénomène physique est l’élément principal de la problématique sur laquelle ces travaux de recherche sont basés. Dans ce mémoire, un outil numérique qui, avant conception de la machine électrique, permet de prédire les contraintes électriques s’appliquant sur le système d’isolation de la machine a été développé. Cet outil doit permettre le développement de solutions nouvelles dans les différents axes de recherche sur la problématique de vieillissement des actionneurs électriques. Il est basé sur le développement et la simulation d’un modèle RLC à constantes localisées dont les paramètres constitutifs ont été déterminés via la méthode des éléments finis. Cet outil est ensuite utilisé pour analyser les contraintes électriques subies par l’isolation inter-spires des bobinages afin de localiser les zones critiques dans les bobinages électriques dans un premier temps. Une méthode basée sur une simulation de la distribution du champ électrique dans les bobines en fonction du temps a été mise au point. La visualisation et l’analyse de cartes de champ électrique sur un intervalle de temps défini permettent de déterminer et de localiser les contraintes électriques maximales s'appliquant sur l’isolation inter-spires. Dans un second temps, pour étudier le vieillissement du SIE et améliorer les méthodes de détection, un outil d’aide au diagnostic est proposé. Cet outil est basé sur un calcul des variations des fréquences de résonances les plus sensibles à un indicateur ΔC éprouvé au sein du laboratoire. Afin d’affiner les possibilités de diagnostic, de nouvelles corrélations ont été recherchées, analysées et mise en évidence.

The transition to a higher DC voltage network is the most suitable solution to meet with the steady increase in the need/requirement for power flowing in the networks. Today, the control of embedded electric actuators involves the massive use of electronic converters that impose sudden voltage variations. The latter, when applied to an electrical machine windings, generates high electric field levels between the insulators, exceeding sometimes the partial discharge inception voltage (PDIV). Exceeding this threshold leads to the appearance of partial discharges, which are particularly harmful to the turn-to-turn insulation and are responsible for a very rapid deterioration of the electrical insulation system.This physical phenomenon is the main element of the problem on which these research works are based. In this thesis, a numerical tool was developed, which allows prior to the electrical machine design, to predict the electrical stresses applied to the machine's insulation system. This tool should allow the development of new solutions in the various research axes on the aging problem of electric actuators. It involves the development of an RLC lumped element equivalent circuit whose parameters were computed by means of a finite elements analysis considering both the geometry of turns and its location in the coil. Firstly, this tool is used to analyse the electrical stresses applied to the inter-turns insulation of the windings in order to localize the critical zones in the electrical windings. A method based on a simulation of the distribution of the electric field in the windings as a function of time has been developed. The visualization and analysis of electric field maps over a defined time interval allow to determine and to localize the maximum electrical stresses applied to the turn-to-turn insulation. Secondly, to study the aging of the electrical insulation system and to improve the detection methods, a diagnosis assistance tool is proposed. This tool is based on a calculation of the the resonance frequencies’ variations which are most sensitive to the ΔC indicator tested in the laboratory. In order to refine the possibilities of diagnosis, new correlations have been sought, analysed and highlighted.