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Manifestations Scientifiques

Introduction

Les recherches de l’équipe GEMS se situent dans le contexte des grands défis économiques et sociaux associés à la transition énergétique. Elles ont pour but de renforcer le vecteur électrique, aussi bien dans le déploiement des énergies renouvelables et leur transport en haute tension continue, que dans la révolution de la miniaturisation industrielle visant à contribuer au développement des systèmes de puissance de demain. Elles visent également à fournir de nouveaux outils pour la compréhension de phénomènes physiques fondamentaux afin d’éliminer des verrous scientifiques.

Les travaux de l’équipe sont relatifs aux matériaux, composants et systèmes pour l’énergie électrique, avec deux domaines applicatifs qui sont la mobilité électrique, terrestre, nautique et aérienne, et les grands réseaux électriques. Ils sont déclinés en deux sous-thèmes

1. Les structures et les matériaux isolants soumis à de fortes contraintes

La destruction ou la baisse de performances des couches isolantes est très souvent à l’origine des défaillances observées dans les composants et systèmes. Les matériaux isolants jouent ainsi un rôle essentiel dans la fiabilité des applications électriques et électroniques où les enjeux financiers ou en termes de sécurité des personnes sont déterminants, mais également dans les applications distribuées à grande échelle.

L’équipe GEMS s’intéresse à la compréhension, à court et long terme, des phénomènes diélectriques qui se développent dans les matériaux sous l’effet de contraintes thermiques, électriques, et environnementales. Leur étude et analyse permettent d’augmenter la fiabilité à travers un choix de matériau et à une conception adaptée du composant, à la modélisation de son vieillissement et/ou à la mise au point de nouveaux matériaux. Les applications visées sont le transport d’énergie, les systèmes embarqués (aéronautique, automobile, spatial), l’appareillage haute performance, les capteurs et toute application intégrant des couches isolantes soumises à de fortes contraintes électriques et thermiques.

L’étude et la compréhension des phénomènes visant à mettre au point des matériaux à hautes performances diélectriques constituent les objectifs principaux.

Les solutions développées par l’équipe GEMS par S. Agnel, J. Castellon, J-C. Laurentie et P. Notingher s’appuient sur des approches maillant étroitement expérimental et modélisation, à l’aide de méthodes originales directement adaptables sur composants et implantables sur site. Il s’agit en particulier de techniques dites « à stimulus thermique », que l’équipe développe et pour lesquelles elle bénéficie d’une forte reconnaissance internationale. La dynamique actuelle est liée aux futurs réseaux d’énergie haute tension, nécessaires pour transporter des fortes puissances sur de longues distances (« super-grids ») et dont les principaux facteurs limitatifs sont les matériaux pour câbles et appareillages. Les recherches concernent également les matériaux biosourcés et nanostructurés pour des applications du génie électrique, ainsi que les isolants utilisés dans les composants électroniques.

Grâce à ses liens forts avec des spécialistes de l’ingénierie des matériaux, l’équipe couvre une large gamme d’aspects liés à la mise au point et au vieillissement des isolants. Elle dispose d’importants moyens d’études diélectriques, pour certains sans équivalent au niveau français et mondial.

Problématique d’isolation pour câbles de transport d’énergie et disjoncteurs haute tension

Mise en place de matrices d’essais pour tests de vieillissement électrothermique sur matériaux isolant

Banc de caractérisation des charges d’espace par la méthode de l’onde thermique

Plateforme de test pour la mesure du champ interne dans des câbles HTCC 200-320 kV sur les sites de Nexans (Calais) et General Electric (Stafford, UK) – Transfert de technologie

Exemple d’évolution de la densité charge d’espace dans l’isolation d’un câble d’énergie soumis à 230 kV (63 kV/mm de champ électrique moyen appliqué)

2. Les systèmes d’énergie embarqués et les architectures de convertisseurs

Ces recherches se situent dans un contexte d’introduction massive de systèmes électriques dans les transports. La majeure partie des études concerne la fiabilité des composants et systèmes de l’électronique de puissance et le développement d’architectures de convertisseurs.

Dans le cadre de l’intégration de puissance, le GEM travaille sur la synthèse de nouvelles architectures de convertisseurs de puissance, dont les performances intrinsèques pourront être maximalement exploitées si l’on intègre ces systèmes. Elles sont basées sur l’association « parallèle » d’un nombre important de cellules identiques, interconnectées par un dispositif de couplage magnétique original associé à une loi de commande particulière (2 brevets sont issus de ces techniques). Si l’application à des convertisseurs intégrés est une voie privilégiée de l’exploitation de ces principes, de nombreuses applications à des technologies plus classiques sont également très prometteuses. Des travaux récents de l’équipe ont permis de réaliser des démonstrateurs aux performances très au-dessus de l’état de l’art, et correspondant à des spécifications de réseaux aéronautiques embarqués ou de véhicules terrestres :

Convertisseur isolé 28V-600V-12kW utilisant des puces MOSFET SiC, avec architecture 8 phases selon le Brevet CNRS-INPT-UM WO 2007/006902 A2 (2016, thèse de J. Brunello)
Trois convertisseurs non isolés 28V-300V-10kW avec coupleur magnétique 6 phases selon le Brevet CNRS-INPT-UM WO 2007/006902 A2 (2015, Contrat Liebherr Aerospace)
Système de charge par induction de véhicule électrique 22kW (2017, thèse de A. Hammoud – Contrat IES Synergie)

Dans le contexte du projet d’ampleur mondiale « avion plus électrique », visant à remplacer un maximum de dispositifs à pression de fluide par des dispositifs électriques, l’équipe a également développé un partenariat fort avec le groupe SAFRAN sur la conception d’actionneurs et générateurs innovants, fiables et à fortes performances spécifiques. Les travaux portent actuellement sur la caractérisation de machines très haute fréquence (jusqu’à 2 kHz) afin d’atteindre des puissances massiques de l’ordre de 10 kW/kg.