A l’heure actuelle, l'énergie électrique est au cœur de nombreuses applications telles que le ferroviaire, l'aéronautique ou l'automobile, pour ne citer que le domaine du transport. La rationalisation de cette énergie est un axe majeur de développement dans le contexte actuel du « Plus Electrique ». Par conséquent, la fiabilité des systèmes électriques et en particulier des systèmes d'isolation électrique (SIE) est une donnée cruciale pour garantir le bon fonctionnement des équipements électriques tout au long de leur cycle de vie. Les systèmes et sous-systèmes d'alimentation subissent des contraintes électriques de plus en plus sévères. Les problématiques et conditions de fonctionnement peuvent changer, mais l’objectif commun est le même : la fiabilité doit être assurée et le vieillissement doit être anticipé et contrôlé dans la mesure du possible.
Dans ce contexte, l’introduction de composants à base de SiC dans les chaînes de conversion électromécanique du ferroviaire, si elle présente de nombreux avantages, peut avoir des conséquences sur la fiabilité de l’ensemble des systèmes d’isolation des machines. Il s’agit donc, pour des fréquences de commutation de 1 à 5 kHz, et des dV/dt variant de 15 à 30 kV/µs, d’être capable de garantir des durées de vie des systèmes de l’ordre de 40 ans (ou 200 000 heures). La question qui se pose est donc de savoir de quelle marge disposent les systèmes d’isolation des équipements actuels en prévision du passage aux composants à base de SiC. Il s’avère donc nécessaire de déterminer si dans les conditions normales de fonctionnement de la chaîne, des phénomènes qui n’existaient pas préalablement (ou dont les conséquences n’avaient pas forcément été appréhendées de manière spécifique) vont apparaître avec le passage aux composants à base de SiC. Il s’agit principalement des Décharges Partielles et de leur développement dans les machines et plus précisément dans l’isolation entre spires, entre phases ou par rapport à la masse.
L'objectif de la thèse consiste donc à d'étudier l'influence de la contrainte électrique imposée par les onduleurs utilisant des composants à base de SiC sur l'isolation des machines, et plus précisément son impact sur l'activité DP et, à plus long terme, sur le vieillissement. Pour cela, dans une première phase, et après une très courte étude de « déverminage » sur un système réel, on détermine de manière systématique les conditions d’apparition de DPs dans la chaîne en fonction de divers paramètres tant géométriques qu’électriques. Les résultats sont ensuite comparés à ceux obtenus sur une même chaîne ayant des convertisseurs utilisant des IGBT Si. Dans une seconde phase, l’influence de ce ces contraintes sur le vieillissement et l’activité des décharges partielles est évaluée sur des échantillons très simples. Ces contraintes sont finalement reproduites dans une troisième et dernière phase sur des échantillons plus complexes et représentatifs de la machine réelle, qui sont ainsi soumis à un vieillissement accéléré, le tout dans le but d'établir des lois de vieillissement ainsi que d'étudier la dégradation des isolants sous l'effet des contraintes appliquées.
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Nowadays, electrical energy is used in many applications such as railway, aeronautic or automotive sectors, to mention only transportation for example. The rationalization of this energy is a major axis of development in the current context of “More Electrical”. Therefore, the reliability of the electrical systems and especially of the Electrical Insulation Systems (EIS) is crucial data to ensure that the electrical equipment operates accurately during its complete life cycle. Supply systems and subsystems undergo increasingly severe electrical stresses. Problematics and operating environment may change, but there is a single common goal: reliability must be assured and ageing must be anticipated and controlled to the largest extent possible.
In this context, the introduction of SiC-based components in the electromechanical chain presents numerous advantages, but has consequences on the reliability of the insulation systems in the machine. For switching frequencies up to 5 kHz, and dV/dt varying from 15 to 30 kV/µs, a system lifetime of around 40 years (or 200 000 hours) must be guaranteed. The question that arises is to know what margin insulation systems of the current equipment have. It is thus necessary to determine whether, under normal operating conditions, phenomena that did not previously exist or were not completely apprehended will appear with the transition to SiC-based inverters. One of these phenomena is Partial Discharge (PD) and its development in machines, and more precisely in the turn-to-turn, turn-to-ground, and phase-to-phase insulation systems.
Therefore, the objective of the thesis is to study the influence of the electrical stress imposed by inverters using SiC-based components on the insulation of machines, in particular its impact on PD activity and, in the longer term, on ageing. To do so, in a first phase, and after a short debugging study on a real system, the conditions for the inception of PDs in the chain are systematically determined depending on both geometrical and electrical parameters. The results are then compared to those obtained with a chain having inverters using SiC-based components. In a second phase, the influence of those constraints in terms of PDs and ageing is evaluated on very basic samples. These constraints are finally reproduced in a third and final phase on more complex samples representative of the real machine, which are thus subject to accelerated aging, all with the aim of establishing aging laws, as well as studying the degradation of the insulation systems under the effect of the applied stresses.
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