Optimisation des paramètres électriques des composites époxy/SiC

Optimisation des paramètres électriques des composites époxy/SiC

MODÉLISATION ET RÉALISATIONS EXPÉRIMENTALES

Introduction:

Ce chapitre présente, la modélisation du revêtement à gradient de potentiel à base de carbure de silicium (SiC2) et le travail expérimental effectué afin de caractériser les propriétés électrique des composites époxy/SiC.
La modélisation consiste à présenter le modèle mathématique de l’extrémité de la barre du générateur avec un revêtement anti-effluves afin de pouvoir l’utiliser dans les méthodes de simulation, par résolution numérique d’équations différentielles sous Matlab, et par la méthode des éléments finis (FEM3) sous COMSOL.
Le travail expérimental est divisé en deux phases principales. La première est de configurer les différents instruments pour réaliser les tests électriques pour caractériser les paramètres des composites époxy/SiC et la deuxième phase est la préparation des échantillons composites époxy/SiC et la réalisation des tests électriques afin de caractériser la résistivité des matériaux obtenus.
Les différents résultats seront présentés et discutés dans le dernier chapitre

Le revêtement à gradient de potentiel :

Les matériaux à gradient de potentiel constituent un moyen établi pour contrôler efficacement et de manière fiable le champ électrique dans les applications haute et moyenne tension. Les composites polymériques à base de charges telles que le carbure de silicium, le noir de carbone, ou des mélanges de différents oxydes, par exemple, BaTiO3, Fe3O4 et SiO2 etc. ont été utilisés pendant une longue période, tant pour la protection contre des décharges de type couronne pour les barres du stator des machines rotatives de haute tension que pour les accessoires de câbles. (Donzel, Greuter et Christen, 2011)

La poudre de SiC:

Un revêtement à base de carbure de silicium (SiC), est utilisé dans les extrémités des barres des générateurs haute tension afin de régler la distribution du potentiel électrique sur la surface des barres à la sortie de l’encoche pour empêcher la production de décharges de surface qui peuvent détruire l’isolant. Il doit conserver cette capacité durant toute la durée de vie de la machine .(Allison, 2000; Malamud et Cheremisov, 2000)
La poudre de SiC utilisée dans ce type d’application est produite dans des conditions atmosphériques spécifiques. Après broyage et séparation des grains dans différentes gammes de taille, les poudres sont nettoyées chimiquement.
Trois poudres de SiC ont été utilisées dans le cadre de ce projet, dont deux fabriquées par Saint-Gobain de taille de 400 Grit (18.3 μm) et un mélange de 400 et de 1000 Grit (5.8 μm) et une fabriqué par G.F. Koch de taille de 800 Grit (7.8 μm).

Application LABVIEW :

LABVIEW4 est un logiciel de développement d’application en utilisant un langage de programmation graphique (le langage G), pour créer un programme sous forme de diagrammes, LABVIEW offrant des bibliothèques de fonctions (blocs programmés) capables de répondre à la plupart des besoins en programmation. Il comprend également des bibliothèques de fonctions spécifiques à l’acquisition de données et au pilotage d’instruments connectés sur une liaison parallèle comme une liaison de type GPIB, ou encore d’instruments connectés sur une simple liaison série (RS 232 par exemple). Il existe aussi des bibliothèques liées à la présentation, à l’analyse et au stockage des données.
LABVIEW intègre une collection complète d’outils de développement de programmes conventionnels, de telle sorte que l’on peut définir des points d’arrêts, animer l’exécution du programme en mettant en évidence le cheminement des données et exécuter pas à pas le programme. Le développement et la mise au point du programme s’en trouvent ainsi facilités.
Notre système d’acquisition des données est commandé à l’aide d’un ordinateur grâce à une application LABVIEW. La conception de cette application se fait sous forme graphique à l’écran, chaque tâche d’acquisition étant représentée par un icône, l’organisation des opérations dépendant des liaisons entre les icônes (plus quelques structures de base: boucles, choix conditionnels, …etc.). L’interface utilisateur, dans l’application se fait sous forme d’un panneau virtuel d’appareils, représenté à l’écran et actionné par la souris. Cette interface nous a permis de sélectionner différentes configurations d’appareil par le biais de menus déroulants. Par exemple, on peut sélectionner le type de port de communication, RS232 ou GPIB, sélectionner les instruments de mesure, sauvegarder les données dans un dossier spécifique autres opérations connexes.

PRÉSENTATION DES RÉSULTATS DE SIMULATIONS ET DES RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX

Simulation numérique avec Matlab:

Le logiciel Matlab reste un outil informatique très puissant, dans sa capacité et son temps de calcul. Avec une bibliothèque très riche en algorithmes mathématiques codés, qui peuvent être exploités dans des différents domaines, notamment dans le domaine de génie électrique. Il offre des outils pour résoudre numériquement des équations mathématiques de plus en plus complexes, comme l’intégration numérique, le calcul matriciel et la résolution des équations différentielles compliquées, …etc

Simulation numérique sous COMSOL :

COMSOL est un environnement de simulation qui offre la possibilité d’ajouter différents phénomènes physiques au modèle à étudier. C’est un outil de calcul numérique par éléments finis modulaires, permettant de modéliser une grande variété de phénomènes physiques caractérisant le problème réel.
Sa bibliothèque offre plusieurs modules physiques, parmi lesquels on trouve le transfert thermique, la mécanique des fluides, l’électricité, l’électromagnétisme … etc.
Pour notre problème, nous avons utilisé le module courant électrique, qui permet de calculer les différentes grandeurs électriques (potentiel électrique, champ, courant, conductivité …etc) avec une géométrie en deux dimensions (2D). Les principales étapes de la modélisation sont les suivantes :
• la définition globale des paramètres et de la géométrie;
• la configuration des matériaux utilisés;
• La sélection du module physique approprié avec la précision des conditions initiales et aux limites; • le maillage;
• la résolution du problème en utilisant le solveur approprié;
• la visualisation des résultats.

Définition des paramètres de la géométrie :

La première étape dans la modélisation sous COMSOL consiste à définir tous les paramètres et les variables qui peuvent être utilisés dans la résolution du problème, comme les constantes de matériaux, les dimensions utilisées pour la géométrie et des variables telles la tension initiale et l’équations de non linéarité (comme l’équation de la résistivité électrique dans notre cas)…etc.

Maillage :

Le maillage correspond à la discrétisation spatiale de la géométrie en surfaces élémentaires (appelés mailles) défini par des points (appelés nœuds). Ces nœuds constituent les connexions entre les mailles.
Le maillage peut se faire automatiquement par le logiciel. L’algorithme prend pour point de départ les éléments de la géométrie et crée des nœuds supplémentaires jusqu’à satisfaire des critères prédéfinis comme le nombre de mailles ou la taille maximale des mailles. On peut utiliser les tailles prédéfinies (extra grossier, grossier, normal, fine, extra fine…) par le logiciel ou agir sur les paramètres de génération du maillage, soit au niveau global, soit sur chaque élément de la géométrie, dans la fenêtre paramètre de maillage quadratique du menu maillage.
Dans notre cas, nous avons ajusté la taille du maillage afin d’obtenir une meilleur résolution et reproduire le même maillage que celui utilisé pour la simulation sous Matlab dans le but de comparer les résultats obtenus des deux méthodes. La figure 3.21 représente l’extrémité de la barre après le maillage.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 ÉTAT D’ART : SYSTÈMES D’ISOLATION, DÉCHARGES PARTIELLES ET REVÊTEMENT ANTI-EFFLUVE
1.1 Introduction
1.2 Motivation
1.3 L’enroulement statorique d’un générateur
1.4 Système d’isolation
1.4.1 Isolation des brins conducteurs
1.4.2 Isolation des spires
1.4.3 Isolation de masse
1.5 Matériaux utilisés dans le système d’isolation des barres
1.5.1 Mica
1.5.2 Résines d’époxy
1.5.3 Polyester
1.6 Contraintes dégradant le système d’isolation
1.6.1 Contraintes électriques
1.6.2 Contraintes thermiques
1.6.3 Contraintes mécanique
1.6.4 Contraintes environnementales
1.7 Les décharges partielles
1.7.1 L’activité de décharges couronne sur l’extrémité de la barre
1.7.2 Décharges partielles internes
1.7.3 Décharges dans l’encoche
1.8 Méthodes de suppression des décharges dans l’extrémité de la barre
1.8.1 Gradient de potentiel capacitif
1.8.2 Gradient de potentiel résistif non linéaire
1.9 Conclusion
CHAPITRE 2 MODÉLISATION ET RÉALISATIONS EXPÉRIMENTALES 
2.1 Introduction
2.2 Calcul du champ électrique
2.2.1 Les équations de Maxwell
2.2.1.1 Lois fondamentales
2.2.2 L’équation de Laplace
2.2.3 Méthode analytique
2.2.3.1 Coordonnées cartésiennes
2.2.3.2 Champ uniforme
2.2.4 Méthode numérique
2.3 Modélisation de l’extrémité de la barre par un circuit équivalent
2.4 Le revêtement à gradient de potentiel
2.4.1 La poudre de SiC
2.4.2 La conductivité électrique du SiC
2.5 Travail expérimental
2.5.1 Techniques de mesure de la résistivité électrique de SiC
2.5.1.1 Mesures courant-tension
2.5.1.2 Mesures dans le domaine temporel
2.5.2 Montage expérimental
2.5.2.1 La source haute tension
2.5.2.2 Application LABVIEW
2.5.2.3 La communication GPIB
2.5.2.4 Électromètre & multimètre Keithley
2.5.2.5 La carte d’acquisition
2.5.2.6 Résistance en série & pont de diodes
2.5.3 Préparation des échantillons époxy/SiC
2.5.4 Réalisation des tests électriques
2.5.5 Caractérisation de la résistivité des échantillons époxy/SiC
2.6 Conclusion
CHAPITRE 3 PRÉSENTATION DES RÉSULTATS DE SIMULATIONS ET DES RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX
3.1 Introduction
3.2 Simulation numérique avec Matlab
3.2.1 Modèle de simulation
3.2.1.1 Les conditions initiales
3.2.1.2 Les conditions aux limites
3.2.2 Optimisation des paramètres électriques des composites époxy/SiC
3.2.2.1 Variation de n
3.2.2.2 Variation de ρ0
3.2.2.3 Évolution du champ et du potentiel électrique avec un revêtement à gradient de potentiel avec les périmètres optimisés
3.3 Simulation numérique sous COMSOL
3.3.1 Définition des paramètres de la géométrie
3.3.2 La configuration des matériaux
3.3.3 La sélection du module physique
3.3.4 Maillage
3.3.5 Résolution du problème
3.3.6 Visualisation des résultats
3.4 Comparaison entre la méthode analytique et la méthode des éléments finis
3.5 Résultats des tests électrique et caractérisation des paramètres de SiC
3.5.1 Tests à la température ambiante (23 °C)
3.5.2 Tests avec variation de la température
3.5.2.1 Résultats aux une température de 40, 60 et 80oC
3.6 Conclusion
CONCLUSION
ANNEXE I OPTIMIZATION OF THE ELECTRICAL PROPERTIES OF EPOXYSIC COMPOSITES FOR STRESS-GRADING APPLICATION 
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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