Dispositifs de puissance alimentant de multiples transducteurs piézoélectriques fonctionnant dans une gamme de fréquence de 1 à 3 MHz

Power devices for multiple piezoelectric transducers operating in the 1-3 MHz range

• Auteur / Autrice : Hamidreza Zandi
• Direction : Bernard Davat, Bruno Douine
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 18/10/2019
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine (1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de recherche en énergie électrique de Nancy (Vandœuvre-lès-Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Desobry
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bernard Davat, Bruno Douine, Nadir Idir, Brayima Dakyo, Guillaume Gillet, Isabelle Desjardins-Lavisse, Mounira Bouarroudj-Berkani
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nadir Idir, Brayima Dakyo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transducteurs ultrasonores

Changeurs de fréquence

Électronique de puissance

Transducteurs piézoélectriques

Mots clés libres

Transducteur piézoélectrique

Électronique de puissance

Convertisseur haute-fréquence

1-3 MHz

Piezoelectric transducer

Power electronics

High-frequency converter

1-3 MHz

Résumé

Depuis la découverte de l'effet piézoélectrique en 1880 par les frères Curie, les capteurs utilisant cette propriété physique ou des actionneurs utilisant son effet inverse ont rapidement émergé dans le monde de la recherche et de l'industrie. Les actionneurs piézoélectriques sont notamment le principal moyen, voire l'unique solution pratique, lorsqu'il s'agit de créer des vibrations mécaniques haute fréquence qualifiées souvent par le terme ''ultrasonique''. Cette thèse s'intéresse particulièrement aux transducteurs ultrasoniques haute fréquence et haute puissance utilisés dans le processus de stabilisation de mélange de liquides non miscibles (émulsion). Le système d'émulsification étudié associe plusieurs dizaines de transducteurs ultrasoniques. La puissance électrique transférée à chaque transducteur est de l'ordre de quelques dizaines de watts pour une fréquence de fonctionnement variant de 1 à 3 MHz en fonction du transducteur. Les travaux menés dans cette thèse se concentrent sur l'alimentation électrique des transducteurs utilisés dans ces systèmes, avec l'idée d'utiliser des structures d'alimentation à découpage à la place des dispositifs de puissance à base d'oscillateurs linéaires qui sont classiquement utilisés pour des fréquences aussi élevées. Ainsi la conception et la réalisation d'un onduleur haute-fréquence, la modélisation électrique des transducteurs et l'interaction entre le convertisseur et la charge qu'il alimente ont été étudiées dans cette thèse. Au final une nouvelle méthode d'identification et de suivi de fréquence de résonance des transducteurs ultrasoniques alimentés par un onduleur de tension a été proposée.

Since the discovery of piezoelectric effect in 1880 by the Curie brothers, sensors using this physical property or actuators using the reverse effect have rapidly emerged in the world of research –and technology. Piezoelectric actuators are specially the primary solution or even the only practical way for generating high frequency mechanical vibrations usually qualified as “ultrasound”. This thesis focuses particularly on high frequency and high-power ultrasonic transducers used for stabilizing mixture of immiscible liquids (emulsions). The studied emulsification system comprises several dozens of ultrasonic transducers. The transferred electrical power to each transducer is of the order of some dozens of watts and the operating frequency varies from one to 3 MHz depending on the transducer. The work carried out in this thesis focuses on electrical power supplies used to drive transducers of the emulsification system. The goal is to propose switched-mode power supply structures instead of classical power devices based on linear oscillators used to drive transducers at such high frequencies. Hence, the design and realization of high-frequency inverters, the electrical modeling of piezoelectric transducers and the interaction between the power supply and its load are studied in this thesis. At the end, a novel method of identification and tracking of the resonance frequency of ultrasonic transducers powered by voltage inverters is proposed.