Caractérisation des isolants de bobinage des machines électriques alimentées par des ondes de tension à forts dV/dt

Characterization of winding insulation of electrical machines fed by voltage waves with high dV/dt

• Auteur / Autrice : Veronika Gavrilenko
• Direction : Stéphane Lefebvre, Audrey Leonov, Sami Hlioui
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 02/12/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec Université polytechnique de Tomsk (Russie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : référent : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes et applications des technologies de l'information et de l'énergie (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2002-....)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Odic
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Oleg Nos, Daniel Roger, Gilbert Teyssedre, Talgat Gazizov
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Oleg Nos, Daniel Roger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Isolation électrique

Décharges électriques

Électronique de puissance

Machines électriques

Mots clés libres

Semi-Conducteurs grand gap

Machines électriques

Isolation entre spires

Décharges partielles

Wide-Bandgap semiconductors

Electrical machines

Turn insulation

Partial discharges

Résumé

L’isolation des bobinages des moteurs alimentés par des convertisseurs statiques basés sur la modulation de largeur d'impulsion est soumise à des contraintes électriques provenant de la forme d'onde de la tension d'alimentation. Les phénomènes de nuisances électromagnétiques sur l’ensemble de la chaîne de conversion, les ondes réfléchies dans le câble d’alimentation, ainsi que la non adaptation des impédances du câble et de l’enroulement de la machine peuvent conduire à l’apparition de surtensions aux bornes de la machine suffisamment élevées pour dépasser la tension d’apparition des décharges partielles. Il en résulte une dégradation de l’isolation entre les spires qui, à terme, peut engendrer la défaillance de la machine. La mise en œuvre de composants à semi-conducteurs grand gap, tel que le Carbure de Silicium, permet la réalisation de convertisseurs de forte densité de puissance pour les systèmes d’entraînement à vitesse variable des machines électriques. Les vitesses et les fréquence de commutation élevées de ces composants conduisent à des contraintes électriques en dV/dt plus sévères sur l'isolation des enroulements des moteurs alimentés par de tels convertisseurs. L’étude expérimentale et les simulations numériques réalisées dans le cadre de cette thèse se concentrent essentiellement sur les effets des ondes de tension à forts dV/dt et de la fréquence de commutation élevée sur la robustesse de l’isolation du bobinage des machines électriques alimentées par des onduleurs. Par conséquent, les travaux touchent un certain nombre de questions liées à l’entraînement à vitesse variable, à l’électronique de puissance, aux machines électriques, aux matériaux diélectriques et aux décharges partielles.

The insulation of electrical machines driven by power converters with pulse width modulation are subjected to repetitive surges due to fast changing voltage pulses and reflection phenomena in supply cable, as well as non-uniform voltage distribution in the stator winding. The overvoltage at motor terminals may lead to partial discharge inception accelerating winding insulation degradation and causing its premature failure. The implementation of wide bandgap power semiconductors as Silicon Carbide allows to create converters with high power density for variable frequency drive applications. The fast and high frequency switching of electronic devices based on wide bandgap semiconductors increase electrical stresses caused by steep voltage changing rates in controlled electrical machine. It may increase a risk of partial discharges and accelerate insulation aging and destruction. The experimental investigation and numerical simulation study performed in this work is essentially focused on the effects of impulse voltage with high dV/dt and high switching frequency on winding insulation robustness of inverter-fed electrical machines. Therefore, the work covers a number of issues related to electric drives, power electronics, electrical machines, dielectric materials and partial discharges.