Conception de transformateurs d'impulsion de puissance et de tension élevées - Application aux modulateurs de klystron du CLIC

Cette thèse propose une méthodologie complète de conception des transformateurs utilisés dans les modulateurs servant à alimenter, par des impulsions de haute tension, des amplificateurs klystron. Cette méthodologie est appliquée au transformateur d'impulsion monolithique du modulateur qui doit fournir des impulsions de 28.9 MW pendant 140 µs, à une tension de -170 kV pour le futur accélérateur d'électrons-positrons CLIC actuellement en phase de recherche et développement à l'organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN). Une attention particulière est donnée au respect du temps de montée de la tension du klystron qui doit être inférieur à 3 µs, et à la tension maximale qui ne doit pas être inférieure à -175 kV. Les circuits électriques équivalents respectifs du transformateur, incluant capacités et inductances parasites, et du klystron permettent de modéliser le comportement électrique du modulateur. Un circuit équivalent défini dans le standard 390 de l'IEEE ainsi qu'un circuit équivalent d'ordre élevé sont utilisés. Il est possible par simulation des circuits équivalents de connaître le courant et la tension au secondaire du transformateur lorsque la tension au primaire est imposée. A partir des caractéristiques du transformateur et des matériaux le constituant, l'identification des éléments parasites à l'aide de calculs analytiques ou de simulations avec la méthode des éléments finis en 2D ou en 3D du transformateur est présentée. Une méthodologie d'identification expérimentale du circuit équivalent standard du transformateur est développée afin de comparer les méthodes d'identification par calcul et simulation avec des mesures réalisées sur un transformateur. Le système d'isolation est dimensionné à partir d'essais haute tension réalisés sur les matériaux solides et liquides. Les modèles de dimensionnement et d'isolation sont validés expérimentalement sur deux prototypes. Des résonances non modélisées avec le circuit équivalent standard et reproduites par le circuit équivalent d'ordre élevé sont observées expérimentalement sur les deux prototypes à échelle réduite. Le circuit équivalent standard et l'identification sont utilisés dans une procédure d'optimisation pour dimensionner un avant-projet de transformateur respectant le cahier des charges du CLIC. Un algorithme d'optimisation hybride utilisant conjointement des modèles de dimensionnement de basse et haute précision pour un résultat rapide et précis est présenté et détaillé.In this thesis, a pulse transformer design methodology for klystron amplifiers is presented. This methodology is applied to the design of the pulse transformer for the modulator of a future electron-positron compact linear accelerator (CLIC) at CERN which has to produce -170 kV pulses of 140 µs duration with a power of 28.9 MW. A special care is given to the secondary voltage maximum value and rise time of respectively -175 kV and 3 µs. The electrical performances of the modulator are evaluated with equivalent circuits that include parasitic capacitances and inductances of the transformer, and nonlinear klystron resistance. The IEEE pulse transformer equivalent circuit and a high order generalized equivalent circuit are compared. From the transformer topology and its material characteristics, the elements of the equivalent circuits are identified with analytic computation (only for the standard equivalent circuit) or simulations of the electrical and magnetic fields of the transformer modeled in 2D or 3D using the finite elements method. Two reduced scale validation prototypes are realized. An experimental identification methodology of the standard equivalent circuit is developed to compare simulation and experimental results. The insulation structure is designed from high voltage tests on solid and liquid insulating materials and validated on prototypes. It is experimentally demonstrated that the high order generalized equivalent circuit predict the observed electrical resonances not predicted by the standard equivalent circuit. The standard equivalent circuit and its identification are used in an optimization procedure to design a pulse transformer that meets the specifications for the full scale CLIC modulators. The hybrid optimization algorithm (also called space mapping) that is associating analytic and 3D finite element simulations for a fast and precise solution is proposed and detailed

Optimization of a Shared Tailrace Channel of Two Pumped-Storage Plants by Physical and Numerical Modeling

Pump and turbine operations lead to head losses in the tailrace channel. Pumping discharge may be limited due to potential air entrainment into the pump shaft when the downstream reservoir is at its lowest level and the head losses are too high. Regarding turbine operations, the limit is given by the maximum level in the Pelton turbine chamber due to high water level in the downstream reservoir and head losses. The rapid starting and stopping of turbines and pumps lead to highly unsteady flow in the tailrace channel system of the two connected hydropower plants. Negative and positive surges may lead to similar consequences as for stationary operations such as sudden air entrainment into the pump shaft and submerging of the Pelton runner under operation. Therefore, flow and head losses test were conducted on a physical model at 1:30 scale together with numerical simulations using FLOW-3D. On-site measurement of the existing power plant allows validating the results. Representative and extreme operational scenarios have been simulated; the main results are discussed and presented

Flow and waves in a common tailrace channel of two pump-storage plants - physical and numerical simulation

Pump and turbine operations lead to head losses in the tailrace channel. Pumping discharge may be limited due to potential air entrainment into the pump shaft when the downstream reservoir is at its lowest level and the head losses are high. Regarding turbine operations, the limit is given by the maximum level in the Pelton turbine chamber due to high water level in the downstream reservoir and head losses. For the extended Hongrin-Léman pumped-storage scheme in Switzerland, the rapid operations of turbines and pumps lead to highly unsteady flow in the tailrace channel system of the two connected hydropower plants. Negative and positive surges may lead to similar consequences as for stationary operations such as sudden air entrainment into the pump shaft and submerging of the Pelton runner under operation. Therefore flow and head losses tests were performed on a physical model at 1:30 scale together with numerical simulations using the FLOW-3D software. On site measurement of the existing power plant allowed validation of the results. Representative and extreme operational scenarios have been simulated; the main results are discussed and presented

Vibration modes of the brushless DC motor

The objective of this project is to determine in an analytical way the modes of vibration of the stator of a brushless DC motor. The knowledge of these modes is important. Once the vibration modes are determined we can avoid their excitation and thus reduce the noise emitted by the motor and its stress. This task is already performed by the use of finite element methods but they have the disadvantage of hiding the relations between the geometry of the stator and the vibration frequencies. In the first part the geometrical assumptions will be presented as well as the description of the deformations. Then the demonstration of the equation describing the vibration will be presented particularly for curved beams. The model of the thick beam or Timoshenko beam theory has been chosen. Contrary to the Euler-Bernoulli model, this model takes into account the effect of rotary inertia and shear deformation. The chapter 3 will present additional relation that will be used in chapter 4 dedicated to the resolution of the vibration modes and the determination of the vibration frequencies. The chapter 5 will brie y conclude on a few results

Conception des transformateurs de puissance moyenne Frequence

La conversion de puissance électrique à moyenne et haute fréquence est une technologie établie en basse puissance. Elle fait aujourd’hui l’objet de recherches et développements dans un domaine de puissance plus élevée pour des applications où les contraintes de puissance massique ou volumique sont importantes. De telles chaînes de traitement de l’énergie électrique utilisent des convertisseurs statiques avec un transformateur de puissance moyenne-fréquence. Un des plus grands défis dans la conception de tels dispositifs à puissance élevée concerne le dimensionnement optimal du transformateur en termes de compacité, de rendement, d’isolation, de tenue mécanique et de coût. Le projet consiste à réaliser un outil de dimensionnement de transformateurs monophasés moyenne-fréquence à puissance et tension élevées. Cet outil de CAO devra comporter des modèles de dimensionnement analytiques et être associé à des outils d'expérimentation simulée par calcul des champs et une procédure d'optimisation non-linéaire avec contraintes. Les modèles et l’outil réalisés seront validés sur un prototype modulaire à échelle réduite à partir de techniques d’identification expérimentales

Hybrid design optimization of high voltage pulse transformers for klystron modulators

This paper presents a hybrid optimization methodology for the design of high voltage pulse transformers used in klystron modulators. The optimization process is using simplified 2D FEA design models of the 3D transformer structure. Each intermediate optimal solution is evaluated by 3D FEA and correction coefficients of the 2D FEA models are derived. A new optimization process using 2D FEA models is then performed. The convergence of this hybrid optimal design methodology is obtained with a limited number of time consuming 3D FEA simulations. The method is applied to the optimal design of a monolithic high voltage pulse transformer for the CLIC klystron modulator

FEA identification of high order generalized equivalent circuits for MF high voltage transformers

This paper presents a specific methodology to derive high order generalized equivalent circuits from electromagnetic finite element analysis for high voltage medium frequency and pulse transformers by splitting the main windings in an arbitrary number of elementary windings. With this modeling approach, the dynamic model of the transformer over a large bandwidth is improved and the order of the generalized equivalent circuit can be adapted to a specified bandwidth. This efficient tool can be used by the designer to quantify the influence of the local structure of transformers on their dynamic behavior. The influence of different topologies and winding configurations is investigated. Several application examples and an experimental validation are also presented