ELECTROTECHNIQUELES LABORATOIRES PUBLICS OMNIPRÉSENTS DANS LA RECHERCHE

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ELECTROTECHNIQUE

LES LABORATOIRES PUBLICS OMNIPRÉSENTS DANS LA RECHERCHE



Malgré ses trois cents chercheurs répartis dans une trentaine de laboratoires universitaires, la recherche publique en électrotechnique est mal connue. A tort, car elle vit à plus de 60% de contrats industriels. Que vient-on lui demander? Tout, ou presque. Aussi bien d'identifier la cause d'une "fuite" de champ magnétique dans un moteur de lève-vitre électrique jugé trop bruyant que de mettre au point des moteurs futuristes à base de supraconducteurs trois fois plus légers que les modèles classiques à bobinage de cuivre. Complémentaires plutôt que concurrents, les laboratoires publics et les industriels ont appris à travailler en harmonie. Lorsque Leroy-Somer s'interroge sur la tenue des isolants qu'il emploie face aux contraintes engendrées par l'utilisation de convertisseurs de fréquences, il fait appel au Laboratoire en génie électrotechnique de Toulouse. Car cette étude, quelque peu délicate, nécessite une double compétence en électrotechnique et en matériaux. De même, lorsque GEC-Alsthom décide de poursuivre ses investigations sur les applications industrielles de la supraconductivité, il s'associe au centre de recherches sur les très basses températures du Laboratoire d'électrotechnique de Grenoble. Soucieux de ne pas investir trop lourdement dans ce projet de longue haleine, le groupe préfère se faire épauler par l'Université. Discrets, les laboratoires publics n'en sont pas moins devenus incontournables dans certaines disciplines. Parmi les plus prometteuses: les études sur les matériaux, avec la mise au point d'isolants très résistants ou de polymères dotés de propriétés électriques inhabituelles; les associations de composants électroniques de puissance, capables d'apporter des solutions économiques à des problèmes délicats; les supraconducteurs, dont les progrès sont plus discrets; et la modélisation, qui optimise là encore la conception des matériels.



MATÉRIAUX

PLUS DE PERFORMANCES POUR DES ÉQUIPEMENTS PLUS COMPACTS

Les recherches se multiplient sur les isolants, les composés non linéaires, les aimants et les semi-conducteurs.



Les recherches sur les matériaux visent essentiellement à répondre à l'évolution des appareillages électriques vers une plus grande compacité. Qu'il s'agisse de diminuer l'occupation au sol des équipements dans les ateliers ou d'augmenter pour des raisons de poids la puissance massique des moteurs destinés aux systèmes embarqués. Cette évolution se traduit par des contraintes thermiques de plus en plus sévères. Ainsi, pour les isolants, en attendant des procédés neufs comme la "céramisation in situ", l'essentiel des travaux consiste à mieux cerner les limites thermiques des vernis organiques pour permettre aux motoristes de pousser sans risque leurs machines vers des performances maximales.

Des isolants de choc

L'isolant forme le maillon faible thermique du moteur électrique. Au-dessus de 200°C, le court-circuit est garanti. Elever ce seuil permettrait aux industriels de mettre en oeuvre des équipements plus simples, plus compacts, et si possible dépourvus d'auxiliaires de refroidissement. Ainsi, dans le ferroviaire, où l'on cherche à réduire le plus possible la part du cuivre dans les transformateurs pour gagner en poids, et donc en vitesse, réduire les sections passantes de cuivre se traduit obligatoirement par une augmentation de température du matériau. "D'une température ambiante de 180°C sur les TGV actuels en vitesse commerciale, l'objectif est d'atteindre environ 250°C dans les transformateurs pour propulser les futures rames à plus de 300kilomètres/heure en vitesse de croisière", explique Bui Ai, directeur de recherche au Laboratoire de génie électrique de Grenoble. La tenue à la "fatigue thermique" des isolants est une problématique de fond en électrotechnique, car on connaît encore mal leur comportement aux températures élevées. On sait seulement que la plupart d'entre eux, de nature organique, commencent à s'altérer au-dessus de 200°C. Mais on ne sait pas à quelle "vitesse"... C'est pourquoi certains industriels comme Alcatel-Alsthom ou Leroy-Somer prennent contact avec le laboratoire grenoblois pour développer des méthodes d'analyse leur permettant de caractériser le comportement de leurs isolants aux hautes températures. De tels indicateurs leur permettent de mieux cibler la nuance d'isolant qui leur convient, pour ensuite pousser leurs équipements vers des valeurs limites en toute connaissance de cause. A écouter Jean-Marc Canini, du service recherche de Jeumont Industrie, on peut imaginer que ce genre de problématique puisse être dépassée avec l'arrivée d'une nouvelle génération d'isolants conçue d'emblée pour résister aux très hautes températures. Du moins pour certaines applications bien ciblées. "Nous avons réalisé l'isolation du bobinage d'un moteur de 18kilowatts qui a tourné à 650°C pendant mille heures", déclare-t-il. Cette performance, effectuée à une température proche du point de Curie, au delà-duquel aucun circuit magnétique ne peut plus être établi, se veut avant tout une démonstration théorique, car la plupart des applications visées, même militaires, se satisferaient déjà de valeurs tournant autour de 400°C. L'isolant, développé par un procédé de céramisation in situ (voir encadré p. 64), intéresse fortement la Dret pour le bobinage de moteurs auxiliaires de sous-marins et de chars électriques. "Dans ce type d'application, on veut pouvoir doubler brusquement la puissance du moteur pour échapper à une menace en propulsant d'un coup l'embarcation ou le véhicule sans pour autant augmenter le poids et l'encombrement de l'équipement. En outre, on désire s'affranchir le plus possible des systèmes de refroidissement, sources de bruit et de vibrations, pour être plus discret", explique Jean-Marc Canini. Pour le civil, les applications visent aussi bien les moteurs d'ascenseurs - garantis aujourd'hui pour fonctionner deux heures en cas d'incendie - que les moteurs de pompes à incendie. L'équipe de Jean-Marc Canini a également travaillé pour Framatome, sur l'isolation de bobinages statiques mis en oeuvre dans les réacteurs de centrales nucléaires. "Ces bobinages sont impliqués dans le positionnement des crayons en graphite qui servent, en cas d'emballement du réacteur, à stopper la réaction en chaîne. Actuellement, deux systèmes de ventilation, dont un de secours, assurent le refroidissement des crayons. Si les deux tombent en panne, les crayons passent de 120 à 300°C, et la seule issue reste l'arrêt de production, ce qui revient très cher. Des bobinages haute température seraient une solution", commente Jean-Marc Canini. Testés dans les locaux de Jeumont, ils pourraient être retenus pour la génération de réacteurs REP 2000.

Des composés électriques non linéaires

Pour simplifier certaines procédures électriques en vue de protéger le réseau, le Laboratoire de génie électrique de Toulouse (LGET) étudie, en collaboration avec Alcatel Recherche, deux composés électriques aux propriétés non linéaires: un polymère chargé en carbone et une céramique à base de titanate de baryum. Originalité: ces deux produits deviennent très résistants au courant au-delà d'une valeur donnée de densité de courant. La propriété est réversible, et répétable plusieurs centaines de fois. "L'objectif est de remplacer les disjoncteurs classiques qu'il faut réarmer à chaque fois", précise le directeur de recherche au LGET, Bui Ai. Selon lui, le polymère est le plus prometteur des deux composés à l'étude: "Il est plus malléable qu'une céramique et permet ainsi de jouer sur une grande surface. Or, plus la surface est grande, plus on peut faire passer de courant. Mais le plus délicat reste d'optimiser le dosage des mélanges qui composent le matériau afin de rendre parfaitement homogène son caractère non linéaire." Le laboratoire se donne quelques années pour mettre au point un "disjoncteur chimique" capable d'équiper les réseaux de moyenne tension. Pour l'heure, le matériau fonctionne avec un courant de 10ampères alors que c'est... 300ampères qu'il lui faudra supporter en exploitation. A l'Insa de Lyon, le laboratoire de chimie inorganique explore également les ressources de certains matériaux aux propriétés électriques non linéaires. Pour le compte d'un fabricant de parafoudres, Ferraz, les chercheurs lyonnais ont ainsi mis au point un composé servant à "encaisser" les surtensions brutales pouvant survenir sur le réseau.

De l'aimant à la fonction magnétique

On croyait tout connaître des aimants. Pourtant, à écouter le docteur Philippe Tenaud, responsable de la recherche et développement du groupe Ugimag, premier fabricant mondial d'aimants (hors Japon), les potentiels de gain qu'ils promettent sont encore substantiels. De l'ordre de 10% en termes de rendement. "L'emplacement des aimants, leur géométrie ou la nuance du matériau employé peuvent permettre d'accroître le flux magnétique ou de mieux maîtriser sa canalisation à travers l'entrefer et l'ensemble de la carcasse du moteur pour augmenter son rendement. Aujourd'hui, les fabricants de moteurs s'aperçoivent des gains qu'ils peuvent obtenir en s'intéressant plus à la fonction magnétique qu'à l'objet aimant en tant qu'élément passif dans un moteur", explique Philippe Tenaud. A Saint-Pierre-d'Allevard (Isère), le siège du groupe cohabite avec le service de recherche, qui vient d'acquérir un banc d'essais moteur pour justement prendre en compte cette nouvelle approche. "Un équipementier de l'automobile, fournisseur de petits moteurs électriques, rencontrait un problème de bruit excessif sur l'un de ses derniers produits. Après analyse, on s'est aperçu que 10% du flux magnétique établi dans l'entrefer était mal réparti au niveau du stator. En modifiant l'aimantation du moteur, nous avons non seulement réduit son bruit, mais également amélioré son rendement de 6%", rapporte Serge Brassard, chef du service de développement des applications du groupe. L'autre axe de recherche concerne le développement de nuances à performances magnétiques croissantes. Un travail effectué en étroite collaboration avec le laboratoire central de Pechiney et le laboratoire grenoblois Louis-Neel. "Les nouvelles familles de matériaux n'apparaissent pas tous les jours. En trente ans, trois familles seulement ont été découvertes. La dernière en date remonte à 1983, le néodyme fer bore, qui produit jusqu'à 1,4tesla, contre 0,4tesla pour les ferrites de première génération. Mais nous continuons à chercher à affiner les microstructures cristallographiques de ces matériaux. Il y a cinq ans, nous sommes ainsi parvenus à mettre au point une phase intergranulaire de néodyme fer bore produisant une rémanence de 1,5tesla", indique Philippe Tenaud.

Des semi-conducteurs résistants aux hautes températures

Au-delà de 250°C, les composants de puissance ne sont plus opérationnels. Le silicium qui leur sert de support commence à se dégrader à partir de 200°C. Or, dans le futur, de nombreuses applications feront appel à des circuits d'alimentation capables de tenir en milieu surchauffé. Soit pour entrer dans des équipements moins encombrants (milieu confiné) - c'est ce que l'on cherche à obtenir pour le contrôle-commande de moteurs embarqués (sous-marins, navires, véhicules); soit pour fiabiliser la motorisation électrique dans des applications sévères en températures (asservissement électrique de système de sécurité dans les réacteurs nucléaires, équipements de lutte anti-incendie). Trois semi-conducteurs de remplacement ont été explorés: l'arséniure de gallium, le diamant et le carbure de silicium. Le premier a vite été abandonné, car il présentait trop peu d'écart avec le silicium pour justifier une recherche spécifique en résistance thermique. Le diamant résiste bien à la chaleur, mais ses propriétés semi-conductrices semblent se dégrader rapidement dans le temps. Reste donc le carbure de silicium, dont les énergies de liaison sont suffisamment fortes pour maintenir ses caractéristiques au-delà de 450°C. En France, la Laboratoire des matériaux en génie physique de Grenoble et le Centre de génie électrique de Lyon travaillent de conserve sur le matériau. "Nous réalisons à la fois la mise au point du matériau, les étapes de fabrication d'une diode réalisée avec ce support et l'évaluation fonctionnelle du composant, déclare Jean-Pierre Chante, professeur au CGEL.Nous avons délibérément choisi de mener ces trois stades de recherche en parallèle

pour maîtriser le plus rapidement possible toutes les clés de la filière. Nous devons encore nous fournir aux Etats-Unis chez Cree Research en matière première. Ils nous cèdent leur carbure de silicium par tranches de 3,7centimètres de diamètre à raison de 10000francs l'unité. Mais, très bientôt, nos partenaires grenoblois seront à même de nous fournir une qualité identique." Après trois ans de recherche, la faisabilité technique d'un composant "made in France" semble acquise. Le Gircep (Groupement des industriels et centres de recherche en électronique de puissance), dont font partie Schneider et Alcatel-Alsthom, finance les travaux en versant 800000francs par an aux chercheurs. Sur les deux premières années, la région Rhône-Alpes a "cotisé" de son côté pour 600000francs. Mais il faudra encore plusieurs années avant de songer à l'industrialisation, dans la mesure où le composant, s'il est fonctionnel, n'a pas les performances attendues en termes de rapidité et de fiabilité. Les travaux devraient être reconduits l'an prochain pour une période d'au moins deux ans. "L'étude nous a surtout permis d'être à niveau avec certaines firmes qui travaillent sur le sujet depuis de nombreuses années, comme Siemens en Allemagne ou Cree Research et Westinghouse aux Etats-Unis. Par le biais de collaborations internationales, nous pourrons ainsi prendre part à la course pour les composants du futur", commente Jean-Pierre Chante. Laurent Schwartz



Les neuf principaux laboratoires en génie électrique

GRENOBLE

Laboratoire d'électrotechnique de Grenoble (LEG): matériaux magnétiques,

supraconductivité, réseaux, électronique de puissance, modélisation

Laboratoire d'électrostatique et de matériaux diélectriques (LEMD): matériaux diélectriques, condensateurs, électrodynamique et électrostatique

PARIS

Laboratoire de génie électrique de Paris (LGEP): matériaux, supraconducteurs, contacts électriques, modélisation, machines électriques

Laboratoire d'électricité, signaux et robotique (LESIR): matériaux magnétiques, alimentations, machines électriques, commandes des systèmes électriques

Service d'électrotechnique et d'électronique industrielle de l'ESE: réseaux, matériaux, machines électriques, alimentations

TOULOUSE

Laboratoire de génie électrique de Toulouse (LGET): matériaux diélectriques, condensateurs, isolateurs, parafoudre

Centre de physique des plasmas et de leurs applications de Toulouse (CPAT): arcs, plasmas, matériels de coupure, sources de photons intenses

Laboratoire d'architecture et d'analyse des systèmes (LAAS): composants de puissance, commande des systèmes électriques, microcapteurs.

Laboratoire d'électrotechnique et d'électronique industrielle (LEEI): convertisseurs statiques, machines électriques et actionneurs, commande des systèmes électriques.



Les apports de La céramisation in situ

La céramisation in situ, développée par Jeumont Industrie en collaboration avec l'université de Lille, permet d'isoler un conducteur monté sur un circuit magnétique à des températures supérieures à 450°C. L'isolant est composé au départ d'un mélange organo-minéral à base de silicone et de plaquettes de mica. L'imprégnation du bobinage se déroule en plusieurs étapes dans une étuve. Un premier dégazage évacue toute trace d'air à la surface du conducteur. Le bobinage est ensuite recouvert du mélange isolant et un second dégazage sous vide est réalisé pour chasser les bulles d'air situées dans l'interface. Une mise sous pression permet, dans une dernière étape, de presser intimement l'isolant sur le conducteur. L'imprégnation est terminée. Reste à soumettre l'ensemble à différents cycles thermiques durant une dizaine d'heures. C'est l'étape de céramisation proprement dite. Elle est effectuée à une température légèrement supérieure à celle où le conducteur devra fonctionner. Durant cette phase, la partie organique du mélange initial se vaporise, et seul le composé minéral reste en place en se densifiant autour du bobinage.



ELECTRONIQUE DE PUISSANCE

L'ART D'ASSOCIER LES COMPOSANTS POUR MIEUX LES EXPLOITER

Parce qu'elle fournit aux applications de forte puissance des solutions bien moins chères que les composants actuellement utilisés, l'association de composants devient un savoir-faire stratégique pour les fournisseurs de gros équipements.



D'un côté, les IGBT ("Insulated Gate Bipolar Transistor"). De l'autre, les GTO ("Gate Turn Off"). Tous deux forment les deux familles principales de composants de puissance grâce auxquels fonctionnent les convertisseurs d'énergie, les systèmes chargés d'adapter le courant du réseau aux caractéristiques des moteurs électriques exploités dans l'industrie. La comparaison s'arrête là. Les premiers, les IGBT, s'inscrivent dans une fourchette de prix dix à vingt fois moins élevés que les seconds. Mais seuls les GTO peuvent convenir aux applications de forte puissance supérieure à 100kilowatts (traction ferroviaire, laminoirs, papeteries, pompage, etc.) Faire en sorte d'utiliser les premiers à la place des seconds reviendrait en quelque sorte à offrir aux industriels une puissante limousine pour le prix d'une entrée de gamme! C'est pourtant ce que propose de réaliser le LEEI, à Toulouse. "Nous avons réalisé un circuit à base d'IGBT capable de contrôler une puissance de 300kilowatts, jusque-là réservée aux GTO", explique Thierry Meynard, chargé de recherches au LEEI. La démarche toulousaine a consisté à associer en parallèle ou en série sept composants IGBT dans un même circuit. Elle est suivie avec intérêt par GEC-Alsthom, et plus généralement par les fournisseurs d'équipements de forte puissance, comme Cegelec ou Merlin Gerin. "Nous leur communiquons régulièrement les résultats de nos travaux", confie Thierry Meynard.

Le prix de revient d'un onduleur pourrait chuter de 30 à 50%

En collaboration avec Alcatel Recherche, à Marcoussis, les chercheurs du LEEI viennent de tester avec succès ce circuit en réalisant un bras d'onduleur monophasé de 300kilowatts. Un second onduleur, complet, et fonctionnant en alimentation triphasée (la plus habituelle dans l'industrie), est en cours de validation chez Alcatel. En remplaçant les GTO par des composants IGBT, le prix de revient d'un onduleur pourrait ainsi chuter de 30 à 50% pour le produit fini. Outre l'économie apportée sur le coût des composants, le circuit IGBT développé par les Toulousains procure une meilleure qualité du courant transformé par le convertisseur. Ce circuit, en effet, fonctionne à des fréquences de commutation vingt fois plus élevées que celles obtenues avec les GTO, et ce fonctionnement plus rapide aboutit à une sinusoïde mieux "lissée". Le LEEI travaille aussi à réduire les échauffements des composants, qui peuvent atteindre plusieurs kilowatts et qui limitent leur exploitation en milieu confiné (traction ferroviaire, propulsion de bateau...). La chaleur importante dissipée par les composants constitue aussi le principal facteur limitant de la puissance contrôlée et de leur vitesse de commutation. Pour résoudre ces problèmes, les chercheurs essaient d'exploiter au mieux les complémentarités de différents types de composants. Certains mariages, tel celui d'un thyristor et d'un GTO, peuvent se révéler très payants: les gains, en termes de réduction des dégagements thermiques ou d'augmentation de puissance et de fréquence, sont de l'ordre d'un facteur quatre ou cinq! Le thyristor est ici utilisé pour la fonction d'amorçage du courant pour laquelle il a été inventé. Et le GTO n'est exploité que pour bloquer le courant, fonction pour laquelle il est le plus performant, bien qu'il puisse, en principe, commuter dans les deux sens. "En séparant les fonctions, on peut connecter chaque composant à un circuit spécifique qui le préserve mieux. Celui du thyristor évite au moment de l'amorçage, une amenée trop brutale du courant, qui aurait chauffé le semi-conducteur. Sur un composant assurant seul le rôle d'interrupteur, on n'aurait pas pu appliquer les deux circuits en même temps", précise Thierry Meynard. La mise en oeuvre de ce type de convertisseur, dit à "commutation douce", intéresse la DGA (Direction générale de l'armement) pour développer une commande directe d'arbre d'hélice de navire très fiable et silencieuse. La recherche, qui a duré deux ans, reste prospective: seule une maquette (fonctionnant en courant triphasé en alimentation et en sortie) à 1/10e a été validée. Le laboratoire espère prolonger le contrat sur deux années supplémentaires en proposant à la DGA le développement d'un convertisseur à commutation douce pouvant être branché sur n'importe quel type de réseau ou de source autonome. Près de Paris, à Cachan, le Laboratoire d'électricité signaux et robotique (Lesir) travaille également sur la commutation douce, à base, cette fois, d'IGBT. Les applications concerneraient des systèmes de moins forte puissance, comme le chauffage par induction. L.S.



Dissiper les contraintes thermiques

Les composants sont dits "de puissance", car le courant qui les traverse est lié à la puissance qu'ils contrôlent. Plus gros que les composants employés dans l'électronique de signal, ils doivent dissiper, par le biais d'une plaque de refroidissement qui leur est associée, une importante énergie calorifique égale au centième environ de la puissance mise en jeu dans la machine électrique. Une seconde contrainte thermique s'ajoute au facteur de puissance. Elle est liée cette fois à la fréquence de commutation du courant effectuée par les composants. Une perte par conduction s'opère en effet dans le silicium du composant à chaque opération d'amorçage ou de blocage du courant. La température que subissent les composants croît donc avec leur fréquence de fonctionnement.



Le point sur les Convertisseurs d'énergie

Intercalé entre le réseau et la machine électrique qu'il alimente, le convertisseur découpe l'onde sinusoïdale du courant d'entrée de manière à la recaler sur les valeurs d'intensité, de tension ou de fréquence nécessitées par l'application. Le courant est haché un certain de nombre fois par seconde grâce aux centaines de micro-interrupteurs gravés à la surface des composants contenus dans le convertisseur. L'onde est d'autant plus finement découpée - et donc modulée- que la fréquence de commutation du courant exécutée par les composants est élevée. Les convertisseurs les moins perfectionnés ont tendance à fournir en sortie des formes sinusoïdales en escalier qui peuvent provoquer une commande par à-coups. Actuellement, les convertisseurs utilisés dans l'industrie assurent des fréquences de commutation pouvant aller jusqu'à quelques dizaines de kilohertz. D'une manière générale, on cherche aussi à augmenter les fréquences de fonctionnement des composants pour pouvoir jouer aussi sur une plage de fréquences plus étendue, et donc sur des fourchettes de paramètres moteur plus larges. La vitesse de rotation d'un moteur est, par exemple, proportionnelle à la fréquence du courant qui l'alimente.



Feux grandes familles: les gto et les igbt

Les GTO ("Gate Turn Off")

Apparus dans les années 70, ils permettent de couvrir des puissances élevées allant de 300kilowatts à 3 ou 4mégawatts. Revers de la médaille, leur fréquence de commutation plafonne à 1kilohertz. Autre point faible: leur coût élevé, qui s'explique par une surface importante de silicium d'environ 10centimètres carrés. En fabrication, le risque d'apparition d'un défaut est donc important, ce qui donne lieu à un taux de déchets élevé. Leurs prix s'échelonnent de quelques milliers à quelques dizaines de milliers de francs.

Les IGBT ("Insaluted Gate Bipolar Transistor")

Industrialisés depuis cinq à six ans, ils couvrent des puissances beaucoup plus faibles, de l'ordre de quelques dizaines de kilowatts au maximum. En contrepartie, ils peuvent fonctionner sur des fréquences de commutation pouvant atteindre plusieurs dizaines de kilohertz. Produits en grande série, leurs prix s'échelonnent de 100 à 2000francs environ suivant leur fréquence de commutation.

En termes d'offre,

les Japonais (Toshiba, Mitsubishi, Nihon...) dominent très largement le marché mondial des composants de puissance, évalué en 1993 à 5,2milliards de dollars - dont 1,3milliard pour l'Europe et 250millions pour la France (source IDC). Seuls quelques Européens sont encore présents (Siemens, ABB, AEG, GEC-Plessey) sur de petites quantités, au niveau de composants de faible puissance jusqu'à la centaine de kilowatts. Les applications couvertes par cette offre concernent les variateurs de vitesse, la commande de machines tournantes pour l'usinage, le chauffage par induction...

Pour les composants adaptés aux réalisations de fortes puissances allant jusqu'à 3 ou 4mégawatts (traction ferroviaire, pompage, papeterie, ponts roulants...), les Japonais occupent une situation quasi monopolistique.



SUPRACONDUCTEURS

VERS DES MOTEURS TROIS FOIS PLUS LÉGERS

La protection des réseaux pourrait être la prochaine grande application industrielle des supraconducteurs. En attendant - peut-être- l'avènement de moteurs très performants.



Au premier plan, le moteur prototype à stator "supra", développé par le CRTBT, plus robuste mais moins performant en allègement que la version "tout supra" (en arrière--plan). Un orage, un arbre tombé sur le réseau électrique et voilà une région entière plongée dans l'obscurité. Dans le même temps, les équipements connectés en amont du tronçon de réseau où s'est produit l'incident ont dû encaisser d'énormes efforts électromagnétiques, qui peuvent atteindre plusieurs centaines de fois les valeurs nominales prévues. Pour parer à ces crêtes de courant accidentelles, les industriels sont obligés de surprotéger leurs équipements, car les disjoncteurs manquent de rapidité pour ouvrir le réseau en cas d'incident. Ils n'ouvrent la ligne qu'une fois le courant revenu à une valeur nulle, alors que les équipements ont déjà encaissé le choc. D'où l'idée de développer un limiteur de courant à action instantanée. Avantage: le coût de revient des équipements électriques pourrait baisser de 3 à 5%, puisque toute surprotection serait devenue caduque. Comment réaliser un tel dispositif? En utilisant les supraconducteurs, qui "passent sans transition d'un état conducteur à un état très résistif dès que la densité de courant qu'ils conduisent dépasse un certain seuil", explique Pascal Tixador, du Centre de recherches des très basses températures (CRTBT) de Grenoble. En février, EdF a pu valider pour la première fois un tel limiteur utilisant un supraconducteur à "basse température critique" sur un poste basse tension dans son centre de recherche des Renardières. Le système, développé conjointement par le CRTBT, Alcatel Recherche et GEC-Alsthom, devrait être testé dans moins d'un an sur un réseau basse tension de 63kilovolts. Cet axe de recherche semble intéresser aussi Merlin Gerin, qui vient de signer un contrat avec le CRTBT pour développer un limiteur à base d'un supraconducteur à "haute température critique"- moins coûteux à refroidir que le précédent, mais plus délicat à mettre en oeuvre.

Un projet de moteur "supra" de 150kilowatts

Au-delà de cette application, la capacité théorique des supraconducteurs à conduire la même intensité dans un volume cent fois moindre intéresse plus d'un industriel. Notamment dans le domaine des équipements électriques embarqués, où la réduction de poids et d'encombrement reste une préoccupation constante. Appuyé par la Dret (Direction de la recherche et de la technologie du ministère de la Défense) et GEC-Alsthom, le CRTBT avait déjà réalisé il y a quatre ans le premier moteur "tout-supra" au niveau des bobinages du rotor et du stator. Résultat: "un moteur de 15kilowatts qui promet un allègement par un facteur trois comparé aux moteurs en cuivre" indique Pascal Tixador. Mais "il était très délicat de réfrigérer à -269°C un élément tournant à quelque 3000tours par minute. Le dispositif aurait été trop fragile pour équiper des systèmes mobiles", reconnaît le chercheur, qui a construit un deuxième moteur, légèrement moins performant (le gain théorique en poids n'est que d'un facteur deux), mais plus facilement exploitable, car il n'utilise des supraconducteurs qu'au niveau du stator. Désormais, Pascal Tixador veut développer un vrai démonstrateur industriel, tournant à 400tours par minute pour une puissance de 150kilowatts, qui "développera un couple vingt fois supérieur à celui de ses aînés". Pour le réaliser, il lui faudra deux ans. Le temps de redessiner les pièces du moteur et de les faire fabriquer. La structure mécanique d'un moteur à supraconducteurs, en effet, n'a rien de commun avec celle d'un moteur classique. Ainsi, le circuit magnétique se trouve à la périphérie du stator, dans la partie la plus chaude du moteur, et non à l'intérieur. Quant à l'industrialisation, elle n'est pas pour demain. Les supraconducteurs à " basse tempéraure critique" coûtent encore entre 10000 et 20000francs le kilo! L.S.



Deux catégories de matériaux

Découverts vers la fin des années 50, les composés supraconducteurs à base de niobium-titane fonctionnent à la température de l'hélium liquide (-269°C). Ce sont les premiers composés supraconducteurs, dits à "basse température critique", à être produits industriellement. La seule application significative à ce jour reste la fabrication de bobinages destinés à produire le champ magnétique intense mis en oeuvre dans les systèmes d'imagerie par résonance magnétique. Environ 2000tonnes de composés à basse température critique sont produites annuellement dans le monde.

Apparus beaucoup plus récemment, les composés supraconducteurs, à base d'ytrium ou de mercure, ont l'avantage de fonctionner à une température beaucoup plus haute que leurs aînés, autour de -169°C, la température de l'azote liquide. Cependant, très friables, leur mise en oeuvre se révèle délicate pour réaliser des bobinages. Les laboratoires ne savent, pour l'instant, les fabriquer que sous forme de pastilles.



EQUIPEMENTS

LA MODÉLISATION, UN OUTIL INDISPENSABLE

Qu'il s'agisse d'optimiser la conception des moteurs, de l'harmoniser à une commande électronique ou de réduire les coûts, la modélisation s'impose.



Avec le développement des composants de puissance et la possibilité de contrôler finement les paramètres de fonctionnement des machines, les constructeurs de matériels électriques sont contraints d'optimiser à la fois les performances produits et les prix de revient. Pourtant, une telle modélisation est bien utile, notamment pour corriger les effets d'une alimentation ou même pour stabiliser le couple ou la vitesse d'un moteur. Ainsi, le Laboratoire d'électrotechnique et d'électronique industrielle (LEEI) de Toulouse travaille actuellement pour Renault sur un moteur électrique de direction assistée. Un projet justifié par l'économie promise par rapport au dispositif hydraulique classiques, où une pression doit être maintenue, que le système soit activé ou non. Le moteur développé, à aimants permanents, est pourvu d'une alimentation gérée par un composant de puissance permettant un pilotage quasi direct à partir d'un microprocesseur. Seulement voilà, l'onde électrique produite en sortie par la partie électronique n'était pas parfaitement lisse. Elle présentait une allure "en escalier" qui risquait de provoquer des variations de couple abruptes au niveau de l'arbre du moteur électrique. "Pour éviter le risque d'à-coups dans la direction assistée, il fallait une ondulation de couple le plus douce possible." Grâce à des logiciels développés en partie dans le LEEI, les chercheurs peuvent modifier certaines données du moteur. Pour Renault, ils ne sont pas partis d'un moteur existant; ils ont dû imaginer, à partir d'un modèle théorique, un type de stator parfaitement original quant au nombre et à la géométrie des encoches où sont logés les bobinages. Côté rotor, le programme de modélisation a permis de déduire que des aimants en forme de tuile étaient le plus à même de faire accepter au moteur des signaux de forme carrée. Reste à valider le prototype. Après trois ans de recherche et quatre versions intermédiaires de moteur testées en laboratoire, l'heure de vérité a sonné. Dans le courant de ce mois, le moteur, monté sur un véhicule, sera jugé par un essayeur de Renault. Si tout se passe bien, le constructeur pourra choisir de l'industrialiser ou... de le garder dans ses cartons!

Des logiciels pour tout type de moteur

La modélisation permet ainsi d'intervenir sur tous les types de moteurs électriques, qu'il s'agisse de moteurs de puissance (propulsion de bateau) ou de petits moteurs d'asservissement utilisés en robotique ou en productique. Réduction des vibrations et augmentation du rapport puissance sur volume étant les maîtres mots pour la vente de ces matériels.A Belfort, le Centre de recherche en électrotechnique et électronique, le Créébel, utilise des modélisations comparables pour appréhender un nouveau principe de machine, dite "machine électrique généralisée". C'est un moteur où le stator et le rotor sont tous deux alimentés à partir d'un convertisseur de fréquence qui leur est propre. En jouant sur le rapport des deux fréquences produites par chacun d'eux, on parvient à rendre le moteur synchrone sur une fréquence de courant variable. L'objectif de ces travaux, auxquels participe le service de recherche de Cegelec, est d'obtenir une grande stabilité du rapport couple/vitesse. D'ici à un an, Cegelec devrait livrer une première machine en Allemagne, utilisée comme alternateur dans une centrale hydroélectrique. Ici, c'est la grande stabilité en vitesse de l'équipement qui sera exploitée: elle permettra de mettre en oeuvre en amont des turbines de géométrie simplifiée. L.S.



Un système expert pour les réseaux en difficulté

Quand des fournisseurs comme Cegelec ou Merlin Gerin sont appelés à développer des équipements pour un réseau étranger, ils sont jugés à la fois sur leur délai de réactivité, mais aussi sur leur capacité à assimiler rapidement les caractéristiques du réseau. Spécifications techniques, mais aussi aspect dynamique en termes d'exploitation: répartition des demandes, fluctuation dans le temps et conflits d'accès potentiels entre utilisateurs... Pour assister ces entreprises, le Laboratoire électrotechnique de Grenoble est devenu quasi incontournable. L'"équipe réseau" du laboratoire dispose depuis trois ans d'un système expert unique en France. Il lui permet d'intervenir partout dans le monde aux côtés de Cegelec, Merlin Gerin ou EdF quand des problèmes de stabilité se posent sur des réseaux "exotiques" mal équilibrés, comme ceux équipant l'Egypte ou le Viêt- Nam. "En Egypte, on relie d'une traite, sur 500kilomètres et en ligne droite, le barrage d'Assouan au Caire", précise le directeur du laboratoire grenoblois, Jean-Claude Sabonnadière. Au début, le laboratoire intervenait surtout dans les coups durs en participant à la remise en service d'un réseau accidenté. Au fil des ans, le système expert s'enrichissant de données, l'"équipe réseau" intervient à titre préventif sur des problèmes de pilotage et de régulation des lignes.

USINE NOUVELLE N°2506

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