Laplace faits marquants 2007 2017

2OO7 2O17

Faits marquants

ans Laboratoire plasma & conversion d’Ênergie 2007

7 -201

2007

Informations

2

Directeur de publication : Thierry Lebey Responsable éditorial : Dominique Harribey Comité de rédaction : Christina Villeneuve-Faure, Marc Ternisien, Patrice Raynaud, Stéphanie Trieulet , Agnès Gaunie-Picart Editeur : PULP PIXEL Imprimerie : RELIEFDOC Photos de couverture : Repas d’été du Laplace, 2016 Dominique Harribey

7 -201

Préface

ans 3

En 2O17, le Laplace fête ses 1O ans.

Mais, au-delà de ces 10 ans, il convient de célébrer plus de 60 ans de recherche dans le domaine du Génie Electrique et des Plasmas, voire 110 ans dans l’enseignement de l’électrotechnique à Toulouse. Notre laboratoire puise en effet ses racines dans les structures mises en place tout d’abord au début du XXème siècle par les Professeurs Paul Sabatier et Charles Camichel puis dès 1950 par les Professeurs Jean Lagasse, Max Tessie-Sollié et Daniel Blanc.

Cette filiation, cet héritage, le Laplace les revendique haut et fort.

Nos recherches couvrent non seulement un continuum d’activités reposant sur le polyptique « Plasmas/Energétique/ Electromagnétisme/Matériaux/Systèmes » mais, enrichi par la fertilisation croisée de ces différentes disciplines, le Laplace crée de la connaissance à leurs interfaces.

La sélection que le lecteur s’apprête à découvrir dans ce qui suit illustre certains des faits marquants de ces dix dernières années. De l’étude des métamatériaux, à la lutte contre les maladies nosocomiales en passant par la propulsion plasma pour les satellites et les convertisseurs multi-cellulaires séries ou parallèles, la liste est longue et passionnante.

L’étendue du spectre des domaines couverts, le développement de moyens expérimentaux ou de plateformes spécifiques, font que le Laplace est aujourd’hui un acteur incontournable des recherches liées aux grands enjeux de notre société que sont l’Aéronautique et l’Espace, la Transition Energétique, l’Environnement et la Santé.

Fort de son Histoire, et se projetant dans le futur, le Laplace a encore ses plus belles pages à écrire, celles présentées dans ce qui suit en constituent le socle.

Je vous souhaite une bonne lecture!

Thierry Lebey 7 -201 2007 Directeur du Laplace

Sommaire

4

Préface

p. 3

Le Laplace

p. 5

Historique

p. 6

Organisation, chiffres, thématiques, partenaires

p. 7

Faits marquants

p. 8

Les équipes du Laplace présentent les évènements scientifiques majeurs liés à leurs travaux de recherche Communication

p. 9 à 41

p. 42 à 44

Distinction et récompenses Les médias en parlent

Le Laboratoire plasma et conversion d’énergie

Le Laplace est une Unité Mixte de Recherche (UMR) de l’Université Paul Sabatier (UPS), de l’Institut National Polytechnique de Toulouse (INPT) et du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS). Localisé sur deux sites géographiques distants de quelques kms (sur les campus de l’Université Paul Sabatier et de l’Ecole Nationale Supérieure d’Electrotechnique, d’Electronique, d’Informatique, d’Hydraulique et des Télécommunications), le Laplace revendique son appartenance à l’Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées (UFTMiP) et participe à toutes les actions visant à la définition d’une stratégie scientifique du site sur un périmètre « Sciences de l’Ingénierie et des Systèmes ».

Les recherches menées au Laplace vont de l’étude des mécanismes physiques de conversion d’énergie jusqu’aux systèmes qui les mettent en œuvre. Elles se situent au cœur

des préoccupations sociétales liées au développement durable et à la transition énergétique. Les grands domaines d’applications englobent la production, le transport, la gestion, la conversion et l’usage de l’électricité. Cette spécificité conduit notre laboratoire à avoir une production scientifique importante tout en menant des recherches partenariales pérennes. Le Laplace dispose d’équipements de pointe et abrite des plates-formes reconnues (Hydrogène, 3DPHI…) lui permettant de couvrir une approche allant du concept jusqu’au démonstrateur.

Composé de 12 groupes de recherches constitués d’une dizaine de permanents chercheurs et enseignants-chercheurs et d’un nombre équivalent de doctorants et postdoctorants et renforcés par les ingénieurs et techniciens des différents services en soutien à la recherche, le Laplace n’est pas uniquement

la plus forte concentration de recherche en Génie Electrique et en Plasma de France, il est surtout le seul à couvrir de manière intégrée le continuum « plasma / Energétique / Electromagnétisme / Matériaux / Systèmes ».

La politique scientifique du laboratoire s’appuie également sur la définition et le développement d’actions transversales qui constituent un outil majeur pour la réalisation du projet scientifique de l’unité.

Intégré dans son écosystème le Laplace collabore avec d’autres laboratoires du site. Il est en interaction forte avec l’Institut de Recherche Technologique Saint-Exupéry (lRT) et les Instituts pour la transition Energétique (ITE) SuperGrid et VéDéCom pour développer des activités sur les grands enjeux scientifiques identifiés de notre pays.

7 -201 2007

5

Historique

6

Le Laplace est né le 1er janvier 2007.

Mais, pour en arriver là, il aura fallu près de deux ans à Christian Laurent, son fondateur et premier directeur, associé à ses futurs directeurs adjoints (Maurice Fadel et Georges Zissis) pour en bâtir le projet scientifique et en esquisser l’ossature.

La tâche n’était en effet pas simple.

Pour les unités constitutives (3 Unités Mixtes de Recherche et une Équipe d’Accueil), fondées dans les années 50, et issues d’une longue histoire autour de l’électrotechnique et de la physique corpusculaire, il s’agissait d’un véritable changement de paradigme.

Comment accepter de perdre leur identité, bâtie sur une reconnaissance scientifique chèrement acquise, pour devenir un tout nouveau laboratoire ?

D’un point de vue purement scientifique, le caractère pluridisciplinaire des recherches qui nécessitent des approches fondées sur la physique (transport, modélisations multi-physique et multi-échelle, électromagnétisme) avait déjà conduit au développement d’approches communes, voire de collaborations, entre ces struc-

7 -201 2007

tures et certains groupes de la future nouvelle Unité.

Mais l’intérêt de constituer la première concentration de recherche dans le domaine du génie électrique et des plasmas de décharges au niveau national en regroupant la quasi-totalité des forces de recherche du site toulousain surpassa les craintes et les résistances.

Deux ans plus tard, ce sont deux équipes d’accueil centrées sur l’électromagnétisme qui tout en se fusionnant rejoignirent le Laplace pour en former le douzième groupe.

Répartition des 300 personnels

Composition du laboratoire

Chercheurs/enseignantschercheurs 36%

Doctorants, chercheurs et ingénieurs contractuels 48%

Personnel en support et soutien 16%

Recherche 12 groupes

4 actions transversales

•

AEPPT : Arc Electrique et Procédés Plasmas Thermiques

•

CS : Convertisseurs Statiques

•

CODIASE : Commande et Diagnostic des Systèmes Électriques

•

DSF : Diélectriques Solides et Fiabilité

•

GENESYS : Groupe Energie Electrique et Systémique

•

GRE : Groupe de Recherche en Electromagnétisme

•

GREM 3 : Groupe de Recherche en Electrodynamique

•

GREPHE : Groupe de Recherche Energétique, Plasmas et Hors Equilibre

•

LM : Lumière et Matière

•

MDCE : Matériaux Diélectriques dans la Conversion de l’Energie

•

MPP : Matériaux et Procédés Plasmas

•

PRHE : Plasmas Réactifs Hors Equilibre

•

3EP : Electromagnétisme, Electrodynamique, Energétique et Plasmas

•

DP : Décharges Partielles

•

IEP : Intégration en Electronique de puissance

•

OSDP : Optimisation Source-Décharge-Procédé

7

Support et soutien à la recherche •

Service Affaires générales

•

Service Finances

•

Service Informatique

•

Réseaux d’Expertise Technique Ingénierie et Application

•

Service Mécanique

•

Service Electronique

•

Référents techniques des groupes

•

Plateformes technologiques

2007

7 -201

Faits marquants

8

7 -201 2007

Actionneur mécatronique pour organe de pilotage d’aéronefs *Les manches en cours de test à l’ISAE *Système passif breveté * Principe élémentaire

Actuellement dans les cockpits d’avions commerciaux, le pilote et le copilote dirigent l’avion au moyen de mini-manches à technologie passive.

Les solutions actives avec des actionneurs électriques sont aujourd’hui plus que jamais envisagées avec l’avion de plus en plus électrique.

Pour le pilote, ces solutions actives apportent de nombreux avantages : aide à la perception, augmentation du ressenti (sensations proches de celles offertes par les systèmes conventionnels à base de systèmes mécaniques et hydrauliques), réduction du temps de réaction, meilleure réjection des oscillations du pilote…

Le Laplace dans le cadre de l’ANR industrielle TEMOP a dimensionné, conçu et réalisé des actionneurs électriques de mini-manches à technologie active. Plutôt que de mettre en œuvre des solutions classiques de moteurs électriques cylindriques rotatifs avec réducteurs mécaniques où l’effet de crantage pourrait être ressenti par le pilote, le Laplace a développé une technologie d’actionneurs électriques à entraînement direct.

La solution envisagée colle au plus près du besoin, avec un actionneur à fort couple massique et débattement limité (±15°), sans effet de crantage ressenti par le pilote, qui développe les efforts requis si le manche est dévié de la position centrale, dans l’encombrement imposé, en respectant les contraintes thermique et électrique.

Cet actionneur non conventionnel de forme « banane » dispose de deux entrefers, une partie statique bobinée et de deux parties mobiles à base d’aimants permanents. La fonction de retour d’effort actif permet au pilote d’avoir un ressenti des efforts appliqués au manche. Elle doit pouvoir fonctionner pendant 7 à 10 heures de vol en continu. Cependant en cas de perte de cette fonction, la sensation d’effort ressentie par le pilote doit être assurée par un système passif de ressorts dit « back-up ». La chaîne du mini-manche actif doit donc faire cohabiter deux systèmes, un système passif et un système actif. En cas de perte d’alimentation, le Laplace a donc imaginé une solution passive de retour en position au neutre à base d’aimants

Contacts : Jean François Llibre, Carole Henaux, Dominique Harribey (GREM3) Contexte du projet et partenaires : UTC Aerospace Systems Ratier Figeac, Defi12 et le groupe DCAS de l’ISAE

2007

7 -201

permanents qui a fait l’objet d’un dépôt de brevet.

En déplaçant la poignée, l’électronique de commande pilote l’actionneur afin qu’il génère l’effort suivant les caractéristiques statiques (effort en fonction de la position) et dynamique (effort en fonction de la vitesse) implantées et ce en maîtrisant l’effet restitué au pilote.

Publications principales : • J.F. Allias, J.-F. Llibre, C. Henaux, and Y. Briere, “Two synchronous permanent magnet machine frameworks for a direct drive active stick application”, More Electric Aircraft 2015, 3 - 5 Feb. 2015 (Toulouse, France).

• J.F. Allias, J.-F. Llibre, C. Henaux, Y. Briere, and S. Fergani, “Comparison, with an analytical optimization process, of two synchronous halbach permanent magnet machines, for a direct drive stick application”, Progress In Electromagnetics Research B, Vol. 69, pp. 47-59, 2016. doi: 10.2528/ PIERB16041104 • D. Harribey, J.F. Allias, J.F. Llibre, C. Henaux, “Dispositif de ­commande passif magnétique”, Brevet Français, déposé le 1er avril 2014 sous le n°FR 14 52849, étendu à l’international le 1er avril 2015 sous le n°PCT/EP2015/057148

9

Les Décharges Partielles : l’ennemi silencieux vaincu ?

10

Le développement et l’utilisation sans cesse croissante du vecteur électricité dans un nombre de plus en plus important d’applications, et notamment dans les systèmes de transport (Véhicule Electrique, Avion plus Electrique, …) associée à l’utilisation de convertisseurs de puissance a conduit à un regain d’intérêt pour un phénomène étudié depuis plus de 10 ans : les Décharges Partielles (DP). Ces décharges souvent appelées « l’ennemi silencieux » conduisent dès qu’elles apparaissent à la perte des propriétés isolantes des systèmes dans lesquels elles se produisent. Dans le domaine des transports, la détermination de leurs conditions d’apparition s’avère donc primordiale non seulement pour la fiabilité mais aussi pour la sécurité.

La grande originalité des travaux développés au Laplace réside dans la mise au point, le développement puis la valorisation d’un système simple, non-intrusif permettant la

détection des DP dans un environnement électrique particulièrement complexe (tension inférieure au kV, fréquence de découpage élevée, variations très rapides des amplitudes de tension (de l’ordre de plusieurs kV/µs) … Ces travaux menés tout d’abord d’un point de vue fondamental via l’étude de l’impact des paramètres électriques précédents et environnementaux (pression, température, humidité relative) ont été poursuivis dans le domaine des transports (automobile, aéronautique et ferroviaire). La présence de l’Institut de Recherches Technologique Saint-Exupéry a permis de franchir la dernière étape en testant chez un grand nombre d’industriels le système développé qui, associé à une méthode permettant la suppression en temps réel du bruit grâce à un traitement numérique du signal reposant sur la théorie des ondelettes, a conduit à l’obtention de résultats particulièrement intéressants. La suite des recherches dans 2007

Contacts : David Malec (Action transversale DP), Thierry Lebey (MDCE)

7 -201

ce domaine va permettre le dimensionnement « sûr » des matériels électriques destinés à être embarqués. Ceci passe bien évidemment par la détermination de l’impact de l’existence des Décharges Partielles sur la durée de vie. Ces travaux ne manqueront pas d’être utilisés dans d’autres actions impliquant d’autres groupes du Laplace (comme par exemple ceux développés dans le cadre du projet HASTECS).

Thèses : •F . Koliatene : Contribution à l’étude de l’existence des ­décharges dans les systèmes de l’avionique, Université de ­Toulouse, 2009 •T . Billard : Off-line and on-line partial discharges detection in low voltage motors of electric vehicle fed by a PWM inverter using non-intrusive sensor, ­Université de Toulouse, 2014.

•C . Abadie : On-line and non-intrusive partial discharges ­detection in aeronautical systems, Université de Toulouse, 2017.

Les Vortex électro-magnétiques Emetteur de vortex électromagnétiques commutables

Les ondes électromagnétiques ­porteuses de Moment Orbital Angulaire, ou vortex électromagnétiques, propagent une forme très originale de tourbillon de champs électromagnétiques à très haute fréquence.

Ce tourbillon, dont la vitesse et le sens de rotation sont caractérisés par un nombre entier appelé ordre du ­vortex, peut être judicieusement ­exploité dans le domaine des ­télécommunications. Le Laplace les étudie dans le domaine des microondes.

Pour ce qui est du domaine optique, ce type d’onde permet d’obtenir des débits extraordinaires de l’ordre de plusieurs Téra bits par seconde avec une efficacité spectrale qui frôle la centaine de bits/s/Hz. Il faut noter que dans les systèmes ­actuels de télécommunications l’efficacité couramment atteinte est de

Le Laplace a conçu et réalisé le premier émetteur capable de ­commuter très rapidement entre des vortex d’ordres différents. Ce dispositif émet donc un nouveau tourbillon toutes les dix nanosecondes. Il a ainsi pu démontrer, avec succès et un niveau de performance inégalé, la mise en œuvre d’une liaison par encodage quantique porté par l’ordre du Moment Orbital Angulaire.

Il s’agit à notre connaissance, d’une première mondiale réalisée avec le soutien du CNES. Les vortex électromagnétiques ne sont peut-être pas encore utilisés pour les télécommunications, mais le Laplace est déjà capable de les produire et de les évaluer.

2007

Contact : Olivier Pascal (GRE) Contexte du projet et partenaires : CNES

11

quelques ­unités, voire une dizaine de­ bits/s/Hz.

7 -201

Vortex d’ordre -1

Vortex d’ordre 1

Publications principales : •D .K. Nguyen, O. Pascal, J. Sokoloff, A.Chabory, B. Palacin, and N. Capet, “Antenna gain and link budget for waves carrying orbital angular momentum“, Radio Science, vol.50, no.11, pp.1165–1175, 2015.

•D .K. Nguyen , J. Sokoloff, O. Pascal, A.Chabory, B. Palacin, and N. Capet, “Local Estimation of Orbital and Spin Angular Momentum Mode Numbers” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, April 2016

Physique des plasmas magnétisés : de la propulsion plasma à l’injecteur de neutres d’ITER 12

La physique des plasmas basse pression magnétisés est complexe et nonlinéaire. Les électrons sont confinés le long des lignes de champ magnétique et, selon la théorie classique, seules des collisions avec les neutres sont susceptibles de les « dé-piéger » et de les faire traverser une barrière magnétique créée par des aimants ou des bobines extérieurs. En jouant sur les champs magnétiques on peut moduler la conductivité et le bilan énergétique des électrons. Le plasma est donc un milieu conducteur dont on peut contrôler la conductivité locale à l’aide de champs magnétiques. Cette propriété est utilisée dans nombre d’applications des plasmas basse pression comme les propulseurs à courant de Hall ou la source d’ions négatifs pour l’injecteur de neutres d’ITER. Dans un propulseur à courant de Hall pour satellite une barrière magnétique perpendiculaire au courant entre deux électrodes induit une chute de conductivité et par conséquent une augmentation du champ électrique local dans le plasma. Ce champ

3

1

2

1) Instabilité de rotation EXB dans un plasma 2) Microturbulence dans un propulseur de Hall 3) Transport à travers la barrière magnétique dans la source d’ions négatifs d’ITER

accélère les ions (insensibles au champ magnétique en raison de leur masse) hors du plasma, ce qui fournit la poussée du propulseur. Un autre exemple est celui de la source d’ions négatifs pour l’injecteur de neutres d’ITER. Pour atteindre les températures de fusion, le plasma d’ITER doit être chauffé par injection d’un faisceau de neutres à 1 MeV, avec un courant équivalent de 40 A. Ces neutres rapides sont produits par neutralisation d’ions négatifs (hydrogène/deutérium) créés dans une source plasma basse pression magnétisée, extraits du plasma, et accélérés à 1 MeV. Une barrière magnétique permet ici de contrôler la température électronique de façon à favoriser la création d’ions négatifs dans le plasma.

Le verrou scientifique dans les plasmas magnétisés est lié au fait que la théorie classique du transport électronique collisionnel à travers le champ magnétique n’est en général pas valide en raison de phénomènes d’instabilités et de turbulence plasma qui augmentent la conductivité électronique. La physique

Contacts : Jean-Pierre Boeuf, Freddy Gaboriau, Laurent Garrigues, Renaud Gueroult, Gerjan Hagelaar, Laurent Liard (GREPHE)

Contexte du projet et partenaires : ITER : H2020 EUROFusion, Fédération de Recherche sur La Fusion Magnétique, CEA, ANR ITERNIS ; Propulsion : CNES, RTRA STAE IMPULSE, GDR et GIS Propulsion spatiale à plasma, ANR TELIOPEH et PLASMODIE Principaux laboratoires partenaires : RAPSODEE, PROMES, IBP, CRCA. 2007

7 -201

de la turbulence plasma est extrêmement complexe et sa description à l’aide de codes numériques est un enjeu majeur. Ces dix dernières années, le Laplace a joué un rôle de premier plan au niveau international dans le développement de modèles fluides, hybrides et particulaires (calcul massivement parallèle) de plasmas magnétisés pour ces applications. Les chercheurs collaborent étroitement avec le CNES, l’ONERA, et le CEA, et coordonnent un projet impliquant le CERFACS, l’Institut de Mathématiques de Toulouse, l’ONERA et le CNES (https://www.impulsestae.net). Les équipes ont également développé des expériences dédiées à la validation des modèles.

Publications principales : • J.P. Boeuf, “Tutorial: Physics and modeling of Hall thrusters”, J. Appl.

Phys. 121 011101 (2017) • G. Fubiani, L. Garrigues, G. Hagelaar, N Kohen, and JP Boeuf, “Modeling of plasma transport and negative ion extraction in a ­magnetized radio-frequency ­­plasma source”, New Journal of Physics 19 015002 (2017) • G. J. M. Hagelaar and N. Oudini, “Plasma transport across magnetic field lines in low-temperature plasma sources”, Plasma Physics and Controlled Fusion 53 124032 (2011)

Morphing électroactif Emetteur de vortex 1, Aile testée en soufflerie électromagnétiques 2, Torsion d’une plaque à l’aide d’AMF commutables 3, Influence sur les Vortex (CNRS images)

Les avions sont nés de l’observation des oiseaux; l’homme a appris à imiter la nature. Ces animaux savent contrôler l’écoulement de l’air sur leurs ailes. Grâce à leurs muscles, leurs plumes, leurs organes proprioceptifs et leur système nerveux, ils modifient la forme de leurs ailes de façon optimale. La portance, la trainée, la manœuvrabilité ou encore le bruit peuvent être contrôlés.

Mais si les ailes des avions ressemblent à celles des oiseaux, elles n’ont pas la capacité de se déformer ou de contrôler l’écoulement comme le font les oiseaux. En étroite collaboration avec l’Institut de Mécanique de Fluides de Toulouse (IMFT), le Laplace travaille sur les futures générations d’ailes intelligentes : le morphing. L’originalité de l’approche est le travail multidisciplinaire entre l’aérodynamique d’une part, et l’actionnement électroactif reposant sur des « matériaux intelligents » d’autre part. Ces matériaux – étudiés au Laplace – peuvent se comporter comme des muscles artificiels en convertis-

sant directement l’énergie électrique en énergie mécanique utilisée pour déformer l’aile. Dans cette catégorie de matériaux, les Alliages à Mémoire de Forme sont capables de grandes déformations lentes, tout en supportant des efforts importants. Ils sont utilisés pour changer la forme de l’aile au cours du vol, tout en supportant les efforts aérodynamiques qui portent l’avion. D’autres matériaux électroactifs sont utilisés pour le contrôle de l’écoulement : les matériaux piézoélectriques. Ces matériaux sont capables de plus petites déformations mais ils réagissent rapidement.

Ainsi ils sont intégrés dans le bord de fuite à l’arrière de l’aile, afin de le faire vibrer. Ces vibrations viennent casser les tourbillons qui se forment dans le sillage de l’aile, permettant ainsi d’améliorer les performances aérodynamiques. Cette combinaison unique de déformations par alliages à mémoire de forme et de vibrations par matériaux piézoélectriques est baptisé « Morphing électroactif hybride ».

2007

Contact : Jean François Rouchon (GREM3) Contexte : projets EMMAV et DYNAMORPH dans le cadre du RTRA en collaboration avec l’IMFT

7 -201

Les expériences en soufflerie démontrent l’efficacité du concept et permettent de mieux comprendre les phénomènes physiques complexes mis en jeu. En collaboration avec Airbus, la question de passer d’une petite maquette de laboratoire à une maquette à l’échelle un est actuellement abordée. Les gains notables d’une telle technologie sur un avion seraient de l’ordre du 1% d’économie de carburant.

Publications principales : • Smart Wing Desing - Summer Science Exhibition 2014 – 1-6 Juillet 2014 – Londres, Grande Bretagne, (Film CNRS : http:// sse.royalsociety.org/2014/) •G . Jodin , J. Scheller, E. Duhayon, J.F. Rouchon, M. Braza; “ Implementation of a hybrid electro-active actuated morphing wing in wind tunnel “; Solid State Phenomena (ISSN: 1012-0394, ESSN: 1662-9779), 2017 • J . Scheller, K.J Rizzo, G. Jodin, E. Duhayon, J.F Rouchon, M. Braza; “Design of a hybrid morphing NACA4412 airfoil“, 2015 IEEE International Conference on Industrial Technology, 17-19 Mars 2015, Séville, Espagne

13

Simulation 3D d’une onde d’ionisation (champ électrique et surfaces équipotentielles)

Plasma pour l’environnement : simulations et calculs hautes performances

Simulation d’un écoulement réactif activé par décharges couronnes

Photo des décharges d’un réacteur corona alimenté sous haute tension pulsée

14

La réduction des émissions de polluants gazeux (NOx, SOx, COV, particules fines,…) issus de l’activité humaine reste un enjeu majeur de nos sociétés. L’amélioration de leur qualification et de leur quantification a permis de contraindre les normes d’émission à des niveaux pour lesquels les procédés classiques de dépollution deviennent inopérants.

Dans ce contexte, le couplage de procédés utilisant des réacteurs plasmas hors équilibre de type corona devient compétitif. Toutefois, le traitement d’un effluent gazeux demande pour chaque cas des recherches expérimentales complexes et coûteuses, avec un nombre important de paramètres ajustables relatifs au choix du design du réacteur et aux conditions opératoires de façon à augmenter l’efficacité de traitement au meilleur coût énergétique tout en maîtrisant la nature des sousproduits formés. Dans ce cadre, le Laplace développe depuis plus d’une dizaine d’années, des modèles et des logiciels performants de simulation

pour aider au choix des designs et mieux comprendre et analyser les phénomènes physico-chimiques complexes qui prennent naissance au sein des réacteurs, phénomènes tout d’abord localisés dans les canaux ionisés des micro-décharges (~ 100ns, µm3) puis ensuite étendus et redistribués dans tout le volume du réacteur (µs>min, mm3>cm3) sous l’effet des mécanismes hydrodynamiques de convection et de diffusion. Un modèle expert a ainsi été développé pour suivre la cinétique chimique hors équilibre d’un milieu réactif et d’en extraire un jeu optimisé d’espèces et de réactions (réduction chimique).

Des modèles multi-physiques 2D et 3D de la phase de décharge et postdécharge ont été développés utilisant la puissance du calcul massivement parallèle en mode MPI, OpenMP et Hybride. Des modèles de résolution des équations de la théorie cinétique des gaz (Monte-Carlo, Boltzmann multi-termes) ont également été développés pour le calcul des données de base dans les mélanges molécu2007

Contact : Olivier Eichwald (PRHE) Collaborations : UMS CALMIP, Centrale Supelec, Gremi, IMRCP, Société Aréophile Contexte : ANR Removal, GRD SEEDS

7 -201

laires. Des études expérimentales dédiées servent à la validation des modèles et des simulations.

Publications principales : • O. Eichwald, O. Ducasse, D. Dubois, A. Abahazem, N. Merbahi, M. Benhenni and M. Yousfi ; « Experimental analysis and modelling of positive streamer in air: towards an estimation of O and N radical production » J. Phys. D : Appl. Phys, vol 41, 234002, 2008 • O. Eichwald, H. Bensaad, O. Ducasse, M. Yousfi ; « Effects of numerical and physical anisotropic diffusion on branching phenomena of negativestreamer dynamics » J. Phys. D: Appl. Phys. Vol. 45, 385203, 2012 • M. Meziane, O. Eichwald, J. P. Sarrette, O. Ducasse, M. Yousfi, F. Marchal « Electro-hydrodynamics and kinetic modelling of polluted air flow activated by multi-tip-to-plane corona discharge » J. Appl. Phys. Vol. 113, 153302, 2013

• J. P. Sarrette, O. Eichwald, F. Marchal, O. Ducasse, M. Yousfi « Electro-Hydrodynamics and Kinetic Modeling of Dry and Humid AirFlows Activated by Corona Discharges » Plasma Science and Technology, Vol.18, No.5, pp. 469-472, 2016

Arcs électriques : Disjoncteur basse tension • • • • •

Les disjoncteurs basse et moyenne tension sont des dispositifs en constante évolution (normes, miniaturisation, fiabilité, vitesse de coupure) dont l’amélioration constitue un enjeu industriel pour les acteurs du génie électrique. Leur fonctionnement repose sur l’ouverture d’un contact mobile qui crée un arc électrique. Cet arc, sous l’action de différentes forces est poussé dans des séparateurs métalliques (Déions, splitters) qui vont augmenter la tension du dispositif pour la rendre supérieure à celle du réseau obligeant alors le courant à décroître et l’arc à s’éteindre (limitation du courant). Ce principe est plus complexe qu’il n’y paraît, notamment en raison de l’interaction de l’arc électrique avec son milieu environnant. Par exemple, l’arc va vaporiser une partie des matériaux plastiques (PA66) et métalliques (Cu, Fe, Ag) qui l’entourent et suivant leur nature et leur quantité, se déplacer plus ou stagner dans le dispositif.

Ces vapeurs peuvent aussi provoquer des claquages arrières qui retardent alors la coupure du courant.

Ce milieu gazeux en présence d’un arc électrique (Plasma Thermique) est assimilable à un fluide.

Le Laplace a engagé des études fondamentales sur ces disjoncteurs depuis de nombreuses années avec différents partenaires comme EDF, Schneider ou plus récemment Hager.

L’objectif de ces études est de comprendre et de caractériser le comportement de l’arc : d’une part en développant des modèles multi- physiques utilisés ensuite en géométries réelles et d’autre part, en mettant en place des expérimentations dédiées, permettant la validation des modèles.

D’un point de vue expérimental, plusieurs types de mesure sont réalisés.

Ainsi dans la phase d’ouverture du contact, différentes vitesses du bras de contact sont testées et étudiées, et le courant est mesuré dans les différentes branches du circuit pendant la commutation. Lors du déplacement de l’arc vers la chambre de coupure les différentes forces sont quantifiées et analysées (force de courant et de pression) par le positionnement 2007

Contact : Pierre Freton, Jean-Jacques Gonzalez (AEPPT)

7 -201

Emetteur de vortex électromagnétiques Ouverture du contact commutables Création de l’arc Déplacement vers les séparateurs Entrée dans les séparateurs (e-f) Claquage arrière

d’obturateurs aux évacuations. Une caméra rapide permet de mesurer les vitesses de déplacement de l’arc qui sont ensuite confrontées aux résultats du modèle. Les résultats expérimentaux sont ensuite utilisés pour valider les résultats théoriques. Une fois validé, le modèle est ensuite utilisé pour mieux appréhender les phénomènes physiques mis en jeu dans ces dispositifs afin de les améliorer.

Publications principales : •P . Freton, J.J. Gonzalez, “Review on Low-Voltage Circuit Breakers researches”, The Open Plasma Physics Journal, 2, (2009), p105-119 • J .J. Gonzalez, B. Swierczynski, P. Freton, A. Gleizes, P. Teulet, “Arc dynamic in a low voltage circuit breaker”, Journal of High Temperature Material Processes, 9 issue 1, (2004), p17-24.

15

Antennes spatiales à métamatériaux

16

Afin de répondre aux besoins croissants d’équipements de communication pour les applications spatiales, il est important de réduire, le plus possible, la taille et la masse de l’équipement des satellites. Cela conduit à une réduction des coûts de lancement des satellites sur leur orbite ou laisse la possibilité d’ajouter des équipements dans la fusée. Ceci compte aussi pour les composants radioélectriques. L’objectif étant de réduire les dimensions sans pour autant détériorer les performances en rayonnement (directivité, polarisation croisée, bande monomode, etc.).

Il est possible de contrôler la propagation des ondes électromagnétiques dans les antennes cornets et les guides d’onde à l’aide de surfaces anisotropes (corrugations, métamatériaux). Ainsi, contrairement à ce que prédisent les lois physiques sur

Caractérisation de l’antenne à guide PIC dans la base de mesure « Stargate SG64 » de la société MVG

la propagation et le rayonnement d’ondes électromagnétiques dans des structures classiques, les performances des structures à parois anisotropes peuvent être radicalement améliorées : pour le guide d’onde, réduction de la fréquence de coupure ; pour l’antenne cornet, amélioration de la directivité ou réduction du niveau des lobes secondaires.

L’apport principal du Laplace dans cette thématique est de développer une nouvelle méthodologie de conception s’appuyant sur une Théorie Modale Elargie (TME) analytique pour des guides d’onde à parois anisotropes en collaboration avec le CNES et l’entreprise MVG. Elle permet de dimensionner très rapidement des surfaces à métamatériaux les plus adaptées aux applications requises. Un prototype de guide d’onde et un prototype d’antenne

2007

Contact : Nathalie Raveu (GRE) Contexte du projet et partenaires : CNES, MVG

7 -201

ont été conçus, fabriqués et mesurés grâce à cette méthodologie. Les résultats obtenus démontrent l’intérêt, l’efficacité et le caractère général de la méthode proposée pour la conception de dispositifs hyperfréquences guidés à parois anisotropes.

Publications principales : •N . Raveu, B. Byrne, L. Claudepierre et N. Capet, « Modal Theory for Waveguides with Anisotropic Surface Impedance Boundaries », IEEE Transactions On Microwave Theory and Techniques, Vol. 64, p. 1153-1162, 2016.

•B . Byrne, N. Raveu, N. Capet, G. Le Fur and L. Duchesne, « Modal Analysis of Rectangular Waveguides with 2D Metamaterials », Progress in Electromagnetics Research, Vol. 70, pp. 165-173, 2016.

Refroidissement actif, la genèse d’un projet dans le cadre de l’action transversale 3EP L’évacuation de la chaleur générée au sein d’un microprocesseur est une problématique cruciale qui affecte l’utilisateur de plusieurs manières: limitation des performances et de la plage opérationnelle de température, réduction drastique de la fiabilité et de la durée de vie, augmentation sensible de la consommation énergétique de la puce. Une solution innovante explorée dans ce projet consiste à effectuer un refroidissement liquide mettant en œuvre une méthode active d’intensification des transferts de chaleur fondée sur une activation piézoélectrique.

Deux équipes du laboratoire se sont unies pour explorer une réponse active à ces besoins de refroidissement. L’équipe GREM3 apporte son concours au GREPHE pour intégrer l’actionnement mécanique de paroi au sein de ces échangeurs, offrant simultanément des facultés de pompage et d’amélioration des échanges thermiques entre la source chaude et le fluide caloporteur. Cette idée est née tout d’abord du rapprochement de ces

Principe

prototype réalisé

Emetteur de vortex électromagnétiques commutables

équipes lors de la création du Laplace en 2007. Puis les échanges au sein de l’action transversale 3EP, ont donné lieu à une première validation de principe grâce au soutien simultané de la Fondation de Recherche pour l’Aéronautique et l’Espace et du Programme Interdisciplinaire Energie du CNRS. Deux thèses plus tard, thermique et électromécanique se rapprochent, se familiarisent à la thématique de l’autre.

En partenariat étroit avec l’IUSTI de Marseille, les différents travaux conduisent à la publication de plus de 25 articles de revue et communications dans des conférences, ainsi qu’au dépôt d’un brevet en 2013. Finalement les actions de valorisation par la SATT PACA amorcent les premiers développements concrets et la valorisation du brevet.

Le projet CANOPEE du FUI 18, démarré en 2015 pour une durée de 4 ans, associe aujourd’hui les deux équipes du Laplace et l’IUSTI à diffé-

Contacts : Marc Miscevic, François Pigache (Action transversale 3EP) Partenaires extérieurs (Laboratoires, industriels…) : IUSTI Marseille, KONTRON, EGIDE, SERMA Technologies, EPSILON, Intel – Financement de la Fondation de Recherche pour l’Aéronautique et l’Espace (FRAE) et du FUI 18

2007

7 -201

rents acteurs industriels (fabricant de microprocesseurs, fabriquant de calculateurs embarqués, concepteur de packaging, spécialiste de fiabilité) afin de développer un démonstrateur d’échangeur industriel pour le refroidissement de processeur (intel notamment) impliquant une déformation dynamique contrôlée d’une de ses parois par actionnement piézoélectrique.

Publications principales : • M. Amokrane, P. Lavieille,­ L. Léal, M. Miscevic, B. Nogarède, F. Pigache, L. Tadrist, F. Topin, « Pipe forming part of a heat exchanger and heat exchanger comprising such a pipe », WO Patent 2013121297, 2013.

• L. Léal, M. Miscevic, P. Lavieille, M. Amokrane, F. Pigache, F. Topin, B. Nogarède, L. Tadrist, An overview of heat transfer enhancement methods and new perspectives: focus on active methods using electroactive materials, Int. J. Heat Mass Transf. 61 (2013) 505-524.

• P. Kumar, K. Schmidmayer, F. Topin, M. Miscevic, « Heat transfer enhancement by dynamic corrugated heat exchanger wall: Numerical study », Journal of Physics: Conference Series, 745 (3) (2016) 032061.

17

1

Microplasmas : physique de base et applications

18

On peut créer des plasmas dans des conditions très larges de pression de gaz, d’une fraction de Pascal à la pression atmosphérique. A pression élevée, les particules chargées du plasma, électrons et ions, font beaucoup de collisions avec les neutres ce qui limite leur diffusion et conduit à la formation de microplasmas. L’ionisation du milieu par les électrons dépend très non-linéairement des champs électriques appliqués, ce qui conduit à la formation de micro-structures souvent filamentaires (alignées dans la direction du champ appliqué) et formant quelquefois des structures auto-organisées. Si cette non-linéarité n’est pas contrôlée, elle peut conduire à la formation d’un plasma thermique caractérisé par des températures de gaz très élevées. Or, dans beaucoup d’applications l’objectif est de générer un plasma réactif hors-équilibre où la température électronique est très élevée, tandis que les neutres restent froids. Pour limiter le chauffage des neutres par les électrons et les ions il faut contrôler le courant, par exemple en recouvrant les électrodes de couches diélectriques (comme

2

3 4

1)Filaments auto-organisés dans une DBD 2) Filamentation lors d’un claquage microonde 3) DBD de surface pour contrôle d’écoulement 4) Micro-décharge à cathode creuse

dans les décharges à barrières diélectriques, DBD). On peut également limiter le volume du plasma en jouant sur la géométrie des électrodes(par exemple micro-décharge à cathode creuse, ou décharge couronne).

Forts de leur expérience sur les microdécharges pour écrans à plasma développée dans les années 19952005, les chercheurs du Laplace se sont intéressés à partir de 2005 à des aspects très divers des microplasmas, tant sur un plan fondamental (compréhension de la physique, systèmes complexes, auto-organisation) qu’applicatif (contrôle d’écoulement par plasma, claquage microonde, micro-décharges pour la génération de photons UV ou d’espèces réactives comme l’oxygène singulet, microplasmas comme systèmes à bande interdite électromagnétiques reconfigurables). Sur ces thématiques ils ont organisé ou contribué à de nombreux projets : ANR (MICROPLASRé, PAMPA), Européens (PLASMAERO), US Air Force, RTRA STAE (PLASMAX), OSEO (Beatalux). Ils ont développé une expertise de premier plan dans

Contacts : Philippe Bélenguer, Jean Pierre Boeuf, Thierry Callegari, Gerjan Hagelaar, Laurent Liard, Leanne Pitchford (GREPHE)

2007

7 -201

la modélisation physique de ces systèmes, expertise qu’ils ont utilisée pour définir les possibilités, les limites, et les conditions optimales des applications. Des expériences dédiées ont été menées parallèlement aux travaux de modélisation pour compléter et valider la compréhension qualitative et quantitative déduite des modèles. Ces travaux ont donné lieu à un grand nombre de publications et conférences invitées.

Publications principales : • J. Gregorio, X. Aubert, G. J. M. Hagelaar, V. Puech, and L. C. Pitchford, “Nanosecond-pulsed dielectric barrier discharges in Kr/Cl-2 for production of ultraviolet radiation”, Plasma Sources Science & Technology 23 015005 (2014) • T. Callegari, B. Bernecker, J.P. Boeuf, “Pattern formation and dynamics of plasma filaments in dielectric barrier discharges” , Plasma Sources Sci. Technol. 23 054003 (2014) • J.P. Boeuf, L.L Yang, L.C. Pitchford, “Dynamics of a guided streamer (‘plasma bullet’) in a helium jet in air at atmospheric pressure”, Journal of Physics D: Applied Physics 46 015201 (2013)

Les méthodes de traitement statistique du signal permettent de construire des références propres aux objets et défauts étudiés. La détection des défauts est fiable et robuste.

Diagnostic et pronostic dans les systèmes électriques

En 10 ans, l’intérêt pour la surveillance et le diagnostic des systèmes électriques n’a cessé de croître dans l’industrie et dans le monde académique. La détermination de l’état de santé d’un système ou le pronostic de durée de vie constituent ainsi des enjeux majeurs.

Sur le thème du diagnostic, nous avons exploré différents champs méthodologiques et développé de nombreux outils d’analyse. Si théoriquement les signatures des différents défauts sont bien identifiées, elles sont en pratique bien plus difficiles à suivre: leurs caractéristiques évoluent en fonction du point de fonctionnement, de la charge ou de l’application. De plus, ces signatures sont rarement reproductibles à cause à des différences inter et intra-individuelles. Cela constitue autant de verrous scientifiques à l’atteinte de nos objectifs: obtenir des indicateurs de défaut fiables et robustes.

Sur le thème du pronostic, la modéli-

Exemple d’arbre pour la modélisation de durée de vie

sation de durée de vie sous contraintes accélérées a également été au cœur de nos activités, notamment dans un programme Transversalité de l’IDEX en 2013. Des méthodes issues des surfaces de réponse (modèles paramétriques) ou des arbres de régression, ont été adaptées à des systèmes d’isolation de machines électriques ou à des OLED. L’étude a abouti à un nouveau modèle fondé sur des arbres hybrides.

Nos recherches s’appuient donc sur des techniques d’identification, de traitement du signal et de modélisation de la durée de vie, afin de faire progresser les connaissances sur la détermination de l’état de santé des systèmes et les moyens de détecter et de prédire les défaillances et les vieillissements. La diversité des objets étudiés s’est considérablement étendue depuis ces dernières années puisque sont apparues des collaborations avec des spécialistes des Piles à Combustible ou des systèmes d’éclai-

Contact : Stéphane Caux (CODIASE) Collaborations : les groupes du Laplace MDCE, LM et GENESYS, l’IRIT, le GREMACQ, Université Polytecnica Catlunya en Espagne Industriels : Leroy Somer, Technofan, AKKA Rayonnement : prix Leopold Escande pour la thèse de Farah Salameh

2007

7 -201

Emetteur de vortex électromagnétiques commutables

rage par exemple. Parions que cette diversité sera dans les années à venir encore plus grande offrant à cette thématique des applications encore plus nombreuses donc de nouvelles problématiques à résoudre.

Publications principales : •E . Fournier., A. Picot, J. Régnier, M. Tientcheu Yamdeu, J-M. Andréjak and P. Maussion “Current-based Detection of Mechanical Unbalance in an Induction Machine Using Spectral Kurtosis with Reference”, IEEE Trans. on Industrial Electronics, Vol. 62, Number 3, pp 1879-1887, 2015, •F . Salameh; A. Picot; M. Chabert; P. Maussion, « Parametric and non-parametric models for lifespan modeling of insulation systems in electrical machines, » in IEEE Transactions on Industry Applications, vol.PP, no.99, pp.11, 2017 •B . Aubert, J. Régnier, S. Caux and D. Alejo, « Kalman-FilterBased Indicator for Online Interturn Short Circuits Detection in Permanent-Magnet Synchronous Generators, » in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 62, no. 3, pp. 1921-1930, March 2015.

19

Eclairage des villes : adapter le système d’éclairage aux besoins de la vision mésopique humaine vers un système futé et anthropocentré 20

La consommation mondiale en éclairage dépasse les 3 000 TWh d’énergie électrique par an, soit plus du cinquième de la production globale d’électricité de notre planète. De nos jours, le secteur de l’éclairage des villes est en plein expansion, ce secteur absorbe lui-seul plus de 250 TWh d’électricité annuellement. On estime qu’en adaptant le système d’éclairage urbain aux besoins de ses usagers, cela pourrait conduire, pour la seule Europe, à une réduction de plus de 50 millions de tonnes de gaz à effet de serre rejetés dans l’atmosphère. L’une des caractéristiques les plus fascinantes de la vision humaine est sa capacité à bien voir dans une plage d’éclairage allant du clair de lune à la lumière du soleil, ce qui correspond à plusieurs ordres de grandeur en termes d’intensité lumineuse. Il n’est donc

pas étonnant qu’aucun détecteur physique de lumière ne puisse égaler l’œil humain en termes d’obtention d’une vision utile couvrant une plage de dix-neuf unités sur une échelle logarithmique.

Les chercheurs du Laplace ont démontré, en première mondiale, la possibilité d’adapter le spectre des nouvelles sources lumineuses à la vision mésopique. Ceci a permis de diminuer la puissance d’entrée pendant des périodes nocturnes « creuses » sans altération des conditions de visibilité ou la durée de vie des lampes. La vision mésopique couvre approximativement quatre unités logarithmiques et comporte une plage de niveaux de luminosité rencontrée souvent dans l’environnement urbain nocturne.

du spectre d’émission pendant que la puissance injectée baisse, induit une augmentation du flux lumineux mésopique mesuré en « lumens mésopiques ». Au moment de cette démonstration dans les rues de la ville d’Albi cette unité n’était ni normalisée, ni mesurable. Quelques années plus tard, grâce à nos travaux, le flux lumineux mésopique est reconnu comme une quantité mesurable et bien définie. Cela nous a valu le prestigieux prix du Challenge du centenaire de l’IEC (International Electrotechnics Committee).

Nos travaux ont montré qu’une amplification de la composante bleue

Thèses : Contacts : Georges Zissis (LM) Contexte du projet Partenaires : Projet Européen NumELITE, projet Investissements d’Avenir Hi’Light, GE Lighting, THORN, ADEME, Commission Européenne, EDF-CITELUM, KAWANTECH…

7 -201 2007

• h ttp://www2.cnrs.fr/presse/ communique/597.htm • h ttp://www.citelum.fr/news/ hilight-nouvelle-generation-declairage-intelligent

Propulseur à effet Hall à topologie magnétique variable, PPS-FLEX

Actuellement deux types de propulsion spatiale (mises en orbite et corrections d’orbite des satellites, sondes spatiales) sont opérationnelles : la propulsion chimique et la propulsion électrique. S’agissant de la propulsion électrique, qui soulignons le est la seule technologie envisageable dans le cadre de missions interplanétaires, il existe des propulseurs électriques de types très différents mais qui ont tous pour caractéristique commune d’accélérer un fluide propulsif par ionisation et accélération à l’aide d’un champ électromagnétique. Dans les propulseurs plasma à effet Hall le champ magnétique qui est imposé pour ioniser le gaz joue un rôle fondamental sur les performances et la durée de vie du moteur. Pour cette raison, il est fondamental de pouvoir étudier les effets des cartographies magnétiques sur le fonctionnement du moteur. Les propulseurs actuels ne peuvent malheureusement reproduire qu’une seule cartographie magnétique. Dans ce contexte le Laplace dans le cadre du GIS Propulsion a

*Structure du propulseur avec les bobines divisées par étages en vue de reproduire plusieurs configurations magnétiques *PPS-FLEX à l’ESA pendant la campagne d’essai 2014.

Emetteur de vortex électromagnétiques commutables

développé un propulseur à configuration magnétique flexible et modulable presque à l’infini et qui permet d’un simple clic de souris de passer d’une cartographie magnétique à une autre.

Ce prototype a fait l’objet de trois campagnes d’essais respectivement à l’Institut de Combustion, Aérothermique, Réactivité et Environnement (ICARE-CNRS), à SNECMA (Société nationale d’étude et de construction de moteurs d’aviation) et au laboratoire de propulsion électrique de l’Agence Spatiale Européenne aux Pays-Bas sous l’égide d’ICARE.

à l’origine de l’usure du moteur et de la limite en puissance. Les propriétés de cette configuration laissent ainsi entrevoir le développement d’un propulseur à très longue durée de vie et à consommation de carburant encore réduite. Par ailleurs, l’utilisation d’algorithmes d’optimisation développés au sein de l’équipe a permis la réalisation d’un nouveau propulseur qui va faire l’objet d’une campagne de test dans les caissons sous vide de SNECMA.

Nos collègues plasmiciens ont réussi à faire fonctionner ce propulseur ionique expérimental PPS-Flex dans une configuration inédite. En jouant sur la géométrie des surfaces et sur la forme du champ magnétique, ces chercheurs sont parvenus à produire et à accélérer le plasma à l’extérieur du réacteur, c’est-à-dire dans le vide, tout en maintenant un rendement élevé. Cette nouvelle configuration « Wall less » fait disparaître les interactions entre le plasma et les parois qui sont

•C . Henaux, R. Vilamot, L. Garrigues, D. Harribey ; ”A new flexible magnetic circuit for Hall Effect Thruster” - 32nd International Electric Propulsion Conference, Wiesbaden, Germany September 2011 •S . Mazouffre, G. Bourgeois, J. Vaudolon, L. Garrigues, C. Henaux, D. Harribey, A. Rossi, S. Zurbach, D. Le Mahaute ; “Development and Testing of Hall Thruster with Flexible Magnetic Field Configuration”, Journal of Propulsion & Power, vol 31, 2015, pp. 1167-1174, 2015 • D . Harribey, Film en ligne sur Youtube, https://www.youtube. com/watch?v=NuD45TkfpmQ

2007

Contact : Carole Henaux, Frédéric Messine, Dominique Harribey (GREM3) Contexte du projet et partenaires : GIS propulsion CNRS, CNES, SNECMA, GREPHE-Laplace

7 -201

Publications principales :

21

Dépôt de couches minces par plasma froid à pression atmosphérique

Publications principales :

22

Historiquement, les procédés plasmas ont contribué aux progrès de la micro-électronique en permettant de réaliser des couches minces et des gravures à l’échelle nanométrique.

Cependant, le transfert de ces procédés vers des domaines à plus-value moins importante est limité par le coût et la complexité de ces systèmes qui fonctionnent à basse pression. Les travaux au Laplace ont permis d’obtenir des plasmas froids homogènes à pression atmosphérique pouvant présenter des caractéristiques similaires aux plasmas obtenus à basse pression. Cette avancée importante permet de réduire le coût des équipements et de réaliser des traitements directement sur une ligne de production avec un système ouvert.

Ces nouveaux procédés pourront être utilisés pour le dépôt de couches minces. Ils permettront de répondre à de nombreuses contraintes industrielles : traitement de grandes surfaces et développement de nouveaux

Contacts : Nicolas Gherardi, Nicolas Naudé (MPP) Partenaires : Université de Montréal, Université Laval, Luxembourg Institute of Science and Technology

matériaux. La possibilité d’injecter, dans ces plasmas des précurseurs gazeux, liquides ou des nanoparticules permet d’envisager une grande diversité de traitements.

Par exemple, dans le cadre de collaborations internationales (Canada et Luxembourg), nous avons utilisé ces procédés à pression atmosphérique pour différentes applications. Nous avons réalisé des couches minces : barrières à l’eau et à l’atmosphère sur films polymères et bois (hydrophobes, anti-UV et antifongiques), pour des applications biomédicales (libération contrôlée de médicament), retardatrices de flamme, antibuée sur verre et polymère.

Ces procédés plasma à pression atmosphérique ouvrent la porte à un grand nombre d’applications nécessitant la réalisation de couches minces à faible coût, faible impact environnemental et pouvant remplir plusieurs fonctions.

2007

7 -201

• M. Laurent, J. Kohler, G. Sabbatier, C. A. Hoesli, N. Gherardi, G. Laroche, “Atmospheric pressure plasma polymer of ethyl lactate: In vitro degradation and cell viability studies”, Plasma Processes and Polymers, 2016, DOI: 10.1002/ ppap.201500211.

• O. Levasseur, L. Stafford, N. Gherardi, N. Naudé, E. Beche, J. Esvan, P. Blanchet, B. Riedl; “A Sarkissian Role of substrate outgassing on the formation dynamics of either hydrophilic or hydrophobic wood surfaces in atmospheric-pressure, organosilicon plasma”, Surface and Coatings Technology, 234: 42-47, 2013.

• J. Profili , O. Levasseur, N. Naudé, C. Chaneac, L. Stafford and N. Gherardi, “Influence of the voltage waveform during nanocomposite layer deposition by aerosol-assisted atmospheric pressure Townsend discharge”, Journal of Applied Physics, 120/5, 2016.

• F. Hilt, N. Gherardi, D. Duday, A. Berne, P. Choquet, “Efficient Flame Retardant Thin Films Synthesized

by Atmospheric Pressure PECVD through the High Co-deposition Rate of Hexamethyldisiloxane and Triethylphosphate on Polycarbonate and Polyamide-6 Substrates”, ACS Appl. Mater. Interfaces, 8 (19), pp 12422–12433, 2016.

Émergence d’un pôle microonde plasma

Antenne plasma à onde de fuite

Plasma OFF

Source plasma à métamatériaux

Le Laplace présente la particularité de posséder au sein d’une même structure des équipes spécialistes en microonde et en plasma. Les interactions entre ces deux domaines, habituellement disjoints, ont fait émerger un nouvel axe de recherche combinant les deux problématiques.

Le plasma est un gaz ionisé globalement neutre dont les propriétés peuvent être modulées par des champs électrique et magnétique. Il est vu par une onde électromagnétique qui le traverse comme un milieu dont la permittivité diélectrique varie de 1 (comme l’air) à des valeurs négatives suivant la densité d’électrons et la fréquence des collisions entre ces particules élémentaires et les particules neutres du gaz. Il est apparu alors intéressant d’utiliser le plasma comme élément reconfigurable au sein de dispositifs microondes tels que des antennes, des lignes ou des guides de transmissions. En effet, sous certaines conditions le plasma peut présenter des avantages spécifiques par rapports aux composants

reconfigurables standards actuels: forte tenue en puissance, temps de commutation rapide, faibles pertes d’insertion et permittivité relative inférieure à 1 ou négative.

La mise en œuvre de cette idée relève d’un véritable défi afin de créer le plasma adéquat (volume, densité électronique, pression, …) et de l’intégrer dans le dispositif sans qu’il ne perturbe les performances microondes recherchées. Ce défi a requis des travaux en modélisation multi-physique et la mise au point de bancs expérimentaux dédiés.

Ces recherches ont fait l’objet de réalisations originales et pour certaines inédites dans le domaine. Parmi elles, on retrouve une antenne à onde de fuite dont l’angle de rayonnement varie en fonction du plasma généré en son sein, un diviseur de puissance commutable permettant le passage ou non d’une onde électromagnétique dans deux directions différentes à travers un cristal électromagnétique suivant l’état du plasma, des filtres

Contact : Jérôme Sokoloff (GRE) Contexte du projet : action transversale 3EP du Laplace; RTRA STAE PLASMAX ; ANR ASTRID DIOMEDE ; PICS CNRS. Partenaires : DEOS (ISAE), CEA Gramat, ONERA, Gas discharge physics laboratory (MINSK, Biélorussie).

Microdécharges en circuits

2007

7 -201

Emetteur de vortex électromagnétiques commutables Plasma ON Cristal électromagnétique commutable

fréquentiels et lignes de transmissions auto-protégés par des plasmas. Plus récemment, les travaux s’orientent d’avantage sur l’utilisation des compétences microondes pour améliorer le dépôt d’énergie dans les plasmas. C’est le cas de la recherche qui consiste à intégrer des métamatériaux à perméabilité magnétique négative au sein d’une source plasma à microonde ou encore à mettre en œuvre le retournement temporel afin de focaliser l’énergie dans un plasma.

Publications principales : • J . Lo, J. Sokoloff, Th. Callegari, J.P. Boeuf, « Reconfigurable electromagnetic band gap device using plasma as a localized tunable defect », Applied Physics Letters, 2010.

• J . Sokoloff, O. Pascal, T. Callegari, R. Pascaud, F. Pizarro, L. Liard, Juslan Lo, A. Kallel, « Non-thermal plasma potentialities for microwave device reconfigurability », Comp. Rendus Phys., vol. 15, pp. 468-478, May 2014.

•R . Pascaud, F. Pizarro, T. Callegari, L. Liard and O. Pascal, « Low insertion loss microplasmabased limiter integrated into a microstrip bandpass filter », Electronics Letters 51, 1090 (2015)

23

Une approche « NANO-ARGENT » pour lutter contre les infections nosocomiales 24

L’adhésion de pathogènes, suivie de la formation de biofilms sur une surface en milieu hospitalier (implant chirurgical, poignée de porte, vitre, etc.) est à l’origine des infections nosocomiales, qui touchent 1 patient hospitalisé sur 20 en France. Pour lutter contre ces infections, le projet ADAGIO propose une approche reposant sur l’utilisation de nanoparticules d’argent (NPs d’Ag) connues pour leurs propriétés biocides. Le but est d’élucider les mécanismes d’adhésion sur une surface de microorganismes à l’échelle nanoscopique. Au Laplace nous travaillons sur le développement des dispositifs élaborés par procédé plasma permettant une libération contrôlée des NPs d’Ag. Ces NPs d’Ag sont enterrées dans des couches diélectriques d’une centaine de nanomètres d’épaisseur et progressivement conduites à la surface pour l’affleurer. De ce fait, elles sont initialement protégées de l’impact environnemental ce qui permet de

préserver leur activité intacte. Une fois arrivées à la surface elles sont capables d’attirer les protéines et les microorganismes et de leur délivrer la juste dose nécessaire à leur inhibition. Ainsi, la formation d’un biofilm est interrompue bien avant la phase irréversible de colonisation de la surface. Ces mêmes NPs d’Ag sont également des nano-antennes électromagnétiques très efficaces permettant d’amplifier et d’enregistrer les signaux optiques, autrement non-détectables, provenant des espèces adhérant à la surface.

L’exploration de ces signaux permet l’identification et la description des mécanismes d’adhésion sur la surface. Les NPs d’Ag de notre étude jouent donc un double rôle : centres biocides et détecteurs de signaux.

Les résultats obtenus dans le cadre du projet donneront une forte impulsion à la conception de nouveaux revêtements nanocomposites à grande efficacité contre la formation de biofilms, visant des applications 2007

Contact : Kremena Makasheva (MPP) Contexte du projet et partenaires : projet ADAGIO de l’IDEX Université de Toulouse, CEMES et LGC.

7 -201

dans le secteur biomédical tout en œuvrant pour une durabilité environnementale.

Publications principales : • B. Despax, C. Saulou, P. Raynaud, L. Datas and M. Mercier-Bonin, “Transmission electron microscopy for elucidating the impact of silverbased treatments (ionic silver versus nanosilver-containing coating) on the model yeast Saccharomyces cerevisiae”, Nanotechnology, 22, 175101, 2011.

• A. Pugliara, K. Makasheva, B. Despax, M. Bayle, R. Carles, P. Benzo, G. BenAssayag, B. Pécassou, M.-C. Sancho, E. Navarro, Y. Echegoyen, and C. Bonafos, “Assessing bioavailable silver released from silver nanoparticles embedded in silica layers using the green algae Chlamydomonas reinhardtii as bio-sensors”, Journal Science of the Total Environment, 565, 863-871, 2016.

• M. Soumbo, A. Pugliara, M.-C. Monje, C. Roques, B. Despax, C. Bonafos, R. Carles, A. Mlayah, and K. Makasheva, “Physico-chemical characterization of the interaction of red fluorescent protein - DsRed with thin silica layers”, IEEE Tans. NanoBioscience, 15, 412-417, 2016.

Le système est simulé numériquement et analysé, optimisé, à l’aide d’un grand ensemble de chemins branchants (pour représenter les non-linéarités).

Une Ingénierie de la Complexité Centrale solaire : Les chemins ne se résument pas aux rayons optiques depuis le soleil jusqu’aux récepteurs par réflexion sur les miroirs. Ils sont aussi « thermode vortex dynamiques » pour représenterEmetteur la conversion, « finanélectromagnétiques ciers » pour tenir compte de la variation temporelle commutables du prix d’achat de l’électricité produite, et ils balayent surtout le temps pour représenter les fluctuations de l’ensoleillement sur la durée de vie de la centrale.

Le Laplace a consacré une part importante de son activité à l’étude de phénomènes d’émergence, de morphogenèse auto-organisée et d’intelligence collective observés lorsque des corpuscules en très grand nombre interagissent entre eux, localement ou à distance. Il s’agissait notamment de comprendre les dynamiques de formes produites au sein de décharges à barrières diélectriques, ou dans des systèmes biologiques composés de cellules ou d’individus en déplacement. La physique statistique était omniprésente dans cet ensemble de recherches, que ce soit lors des choix de modélisation cinétique (mésoscopique ou macroscopique, formulation en espace de chemins) ou lors de la simulation numérique (Monte Carlo, PIC). Tous les ingrédients étaient ainsi réunis pour définir une pratique relevant des sciences de la complexité dans un contexte d’ingénierie.

25

De ce point de vue, sur le terrain numérique, un tournant essentiel a été pris pendant ces dix années avec : - un suivi de chemin efficace faisant appel à l’informatique graphique pour la gestion de données complexes, notamment de géométries complexes, - l’extension de Monte Carlo au monde du non-linéaire.

Depuis l’origine de la méthode, cette extension était réputée impossible : « So far as the author is aware, the extension of Monte Carlo methods to nonlinear processes has not yet been accomplished and may be impossible. » (Curtiss, 1954) - « Monte Carlo methods are not generally effective for nonlinear problems mainly because expectations are linear in character. » (Kalos, 2008).

sation théorique qui est au cœur de notre prospective.

Au titre de ces recherches, le Laplace est très engagé dans l’Institut d’Étude des Systèmes Complexes de Toulouse (XSYS, http ://xsys.fr/) qui implique 321 chercheurs dans 51 unités. Le Laplace a également permis la création de la startup Méso-Star (quatre ingénieurs), qui est aujourd’hui installée dans ses murs.

Nous y sommes parvenus concrètement sur plusieurs exemples de systèmes énergétiques et nous en proposons aujourd’hui une générali-

Contact : Contacts : Richard Fournier, Stéphane Blanco (GREPHE), Benjamin Piaud (Méso-Star) Contexte du projet et partenaires : Contrat Laboratoire-Entreprise « CLE EDStar, Région Occitanie », Laplace/MésoStar (https://www.meso-star.com). Principaux laboratoires partenaires : RAPSODEE, PROMES, IBP, CRCA.

Détails scientifiques : 7 -201 2007

•P lateforme EDStar (http://edstar.lmd.jussieu.fr/) •« Monte Carlo and nonlinearities » ( https ://arxiv.org/ abs/1610.02684 )

Les verrous identifiés sur les mesures de distribution de charges dans les isolants.

Mesure multi-échelle de distribution de charges dans les isolants 26

Une propriété commune à l’ensemble des diélectriques solides, quelle que soit la taille des dispositifs (électrotechnique, électronique de puissance, microsystèmes, microélectronique…) est leur propension à accumuler des charges électriques au-delà d’un champ électrique critique. Si cette propriété est exploitée dans de nombreuses applications (e.g. xérographie), dans bien d’autres elle représente une cause de défaillance. En effet, le renforcement local du champ électrique dans les éléments d’isolation électrique peut mener à une rupture prématurée; en environnement chargeant tel que le spatial, l’accumulation de charges amène à des phénomènes de décharges électrostatiques; des dysfonctionnements notoires dans les microsystèmes électromécaniques se produisent en raison de phénomènes électrostatiques. Quel que soit le domaine d’application considéré, il est nécessaire de se doter de moyens de diagnostic de l’état de charge adaptés aux contraintes, à l’environnement, à la nature et à la géométrie des matériaux considérés.

Le Laplace travaille sur ces questions en développant diverses techniques

Banc de mesure de charge sous irradiation électronique – Matspace

permettant de remonter à la distribution spatiale de charges au sein des isolants, et s’adapte à la géométrie (plane/cylindrique) des objets d’étude, de même qu’aux contraintes chargeantes. Ainsi un moyen d’irradiation et de diagnostic sous faisceau d’électrons jusqu’à 100 keV a été développé (ANR MatSpace) avec une détection de charges par mesure électroacoustique (PEA), ainsi que des bancs PEA à haute résolution spatiale (collaboration CNES) et pour la mesure sur câbles sous tension DC. L’étude de diélectriques de faibles épaisseurs, typiquement de la dizaine de µm, s’accomode mieux d’une technique par stimuli thermique, FLIMM (Focused Light Intensity Modulation Method) proposant des mesures 3D de charges. Celle-ci est exploitée aujourd’hui pour l’étude de la répartition de champ dans des couches minces de Polyimide en collaboration avec MELCO. Enfin, là où les techniques avec perturbation de l’équilibre électrostatique ne peuvent plus être utilisées, une approche par technique champ proche (KPFM, mesures de courbes de forces) prend le relai: de telles méthodes sont utilisées pour l’étude d’interfaces en par-

Contact : Contact : Laurent Berquez (DSF) Contexte et partenaires : ANR Matspace, CNES, Mitsubishi Co, Laplace-MDCE, ABB, Laplace-MPP

2007

7 -201

AFM multimode Brucker

tenariat avec ABB. L’ensemble de ces techniques permet de proposer des solutions pour résoudre spatialement la distribution des charges sur des isolants de quelques nanomètres à plusieurs millimètres d’épaisseur.

Publications principales : •V . Griseri, P. Malaval, L. Berquez, T. Tran Ahn, S. Le Roy, L; Boudou, A. Boulanger, «Charge build-up and transport in electron beam irradiated polymers in a new irradiation chamber», IEEE Int. Conf. on Electrical Insulation Dielectric Phenomena, West-Lafayette (USA), Oct. 2010. Proc.

CEIDP, pp. 1-4, 2010 •C . Villeneuve-Faure, K. Makasheva, L. Boudou, G. Teyssedre, «Charge injection in thin dielectric films by Atomic Force Microscopy: Influence of geometry and material work function of the AFM tip on the injection process », Nanotechnology 27, 245702-1/10, 2016 •C .D. Pham, M.-L. Locatelli, L. Berquez, S. Diaham, G. Teyssedre, « Space charge distributions in polyimide thin films determined by FLIMM », Proc.

IEEE-CEIDP, pp. 121-124, 2011

Plate-forme micro réseau intelligent LAPLACE/GENESYS

Micro-réseaux intelligents : conception systémique à gestion intégrée et optimisation technico-économique Spécialisé de longue date sur les réseaux embarqués de puissance dans les transports automobile, ferroviaire et surtout aéronautique, les activités menées par le Laplace sur le thème des réseaux intelligents sont plus récentes (2011). Plutôt que de nous consacrer aux grands réseaux d’interconnexion et de transport, il nous est apparu opportun de nous focaliser sur les microréseaux sur lesquels on retrouve des problématiques proches de celles rencontrées dans les réseaux embarqués.

Toit solaire PV Multi technologies Emetteur de vortex Le trophée de la transition énergétique de l’USINE NOUVELLE électromagnétiques catégorie Smart grids décroché parcommutables le projet Smart ZAE du SCLE SPE, avec les industriels Levisys et Cirtem et le laboratoire Laplace.

Ces « clusters énergétiques » autonomes, ilotables ou connectés constituent une part essentielle du paysage des smart grids, notamment avec les réseaux insulaires qui posent les premiers vrais problèmes liés au fort taux de pénétration des sources renouvelables.

trée dans ces domaines du fait de la dispersion des modes dynamiques (on parle de « complexité dynamique », liée aux couplages des modes électriques rapides jusqu’aux cycles saisonniers) et du nombre de données et variables à traiter (on parle alors de « complexité statique »). La smart ZAE intègre des sources renouvelables intermittentes (solaire PV, éolien) à l’usine SCLE-SFE dont la chaîne de production a été totalement instrumentée pour la gestion énergétique. Des moyens de stockage, en particulier les volants d’inertie à très hauts rendements (>95%) de Levisys, offrent des degrés de liberté associés à l’architecture à bus continu et aux électroniques de puissance à très hauts rendements de la Cirtem. Il s’agissait pour le Laplace de concevoir et optimiser le management de l’énergie.

Parmi les deux premiers projets labellisés par l’ADEME en région, Smart ZAE (un smart grid à l’échelle d’une zone d’activité économique) fut aussi le projet qui nous « mit le pied à l’étrier » pour éprouver nos méthodologies de conception face à l’énorme complexité rencon-

D’autres projets collaboratifs ou propres nous ont impliqués depuis, en particulier le projet FUI Insulgrid sous le leadership de Valorem. Il s’agissait ici d’élaborer un outil de conception technico-économique permettant un dimensionnement optimal pour des 2007

Contacts : Xavier Roboam, Bruno Sareni, Nicolas Roux, Eric Bru (GENESYS)

7 -201

associations couplant sources renouvelables et stockeurs (Lithium Ion, hydrogène,…) destinés à répondre à divers services pour les réseaux insulaires (engagement de production, réserve primaire,…).

Fort de ces expériences et au vu de la richesse scientifique de cette thématique émergente, le Laplace s’est lancé dans la réalisation ambitieuse d’une plateforme d’investigation pour les micro-réseaux intelligents. Adossée au projet PACAERO (CPER 2014-2020 Etat/Région Occitanie/ Toulouse Métropole et l’AAP Plateforme FEDER/Région Occitanie), nous disposons depuis 2016 d’équipements qui permettent d’expérimenter les principaux concepts élaborés par l’équipe, touchant notamment à l’expérimentation simulée en temps virtuel compacté, à la synthèse dimensionnelle d’éléments de stockage, ou à la définition de nouvelles architectures et modes de gestion favorisant la pénétration maîtrisée des sources renouvelables intermittentes.

Référence : Thèse R. Rigo-Mariani, http://ethesis.inp-toulouse.fr/ archive/00002989/

27

Gestion de l’énergie embarquée en temps réel

28

Nous traitons ici les problématiques d’optimisation temps réel pour une bonne conversion de l’énergie de systèmes multi-sources embarquées:

Dans le cadre des transports du futur, les véhicules seront non seulement hybrides (plusieurs sources d’énergie à bord), mais aussi surement connectés à des systèmes d’information (GPS, Météo, Traffic, interconnecté entre eux- ADAS).

Speed Soc Temperature…

Torque request

De la roue à la route: par des méthodes et algorithmes permettant de calculer des profils de vitesse à moindre coût de consommation d’énergie mais adaptatifs aux évolutions du trafic et enrichis par les informations extérieures au véhicule (cloud, IoT).

Du réservoir à la roue: par une bonne répartition de la puissance demandée pour la traction de la voiture électrifiée sous contraintes de courant, tension, énergie, disponibles en fonction des caractéristiques des sources d’énergie embarquées (Hydrogène Li-Ion, Solaire…) et la commande de l’électronique de puissance inhérente.

Dans cette architecture, nous trouvons la problématique de l’optimisation globale des trajectoires dans le but de fluidifier et sécuriser le trafic, mais aussi minimiser la consomma-

Optimal Control

OPTIMAL factor a

Battery

Converter

Vehicle System

Requested Torque

Electric motor

(1-a) Minimal Losses

(a) Reservoir

Engine

tion pour prolonger l’autonomie des véhicules.

Les verrous sont donc multiples autour de la commande globale décentralisée et temps réel, également sur la commande locale distribuée et l’optimisation de l’utilisation de l’énergie électrique à bord. Des point communs aux applications stationnaires (DataCenter, Smart Building) sont également au cœur de nos recherches.

L’autonomie des véhicules s’accompagne des problématiques de ­gestion

Contacts : Stéphane Caux (CODIASE) Collaborations : LAAS/IRIT/FEMTO-St, Espagne (Univ.

Carlos III) /Allemagne (Technische Universität Dresden) - Industriels: Nexter, EATON, Continental Rayonnement : ANCRE, ANR, ADEME

2007

7 -201

de l’énergie à bord de manière optimale en jouant sur les différentes sources relevant de plus en plus de l’énergie électrique: motorisation, batteries, supercapacités, pile à combustible et électronique de puissance embarquées.

Publications principales : • M. Guemri, A. Neffati, S. Caux, S. Ulrich Ngueveu, “Management of distributed power in hybrid vehicles”, Optimization and Engineering – Springer OPTE, •S . Caux, W. Hankache , M. Fadel, D. Hissel, “On-line Fuzzy Energy Management for Hybrid Fuel Cell Systems”, Int. Journal Hydrogen Energy IJHE

Réalisation de diodes organiques à base de molécules organométalliques

La perspective de disposer de sources lumineuses flexibles compactes, légères, couvrant une large gamme de couleurs et potentiellement peu coûteuses laisse envisager une future application des dispositifs organiques tels que des diodes et les transistors électroluminescents (OLEDs/OLETs) dans divers domaines encore difficilement accessibles aux technologies silicium comme la santé ou encore l’analyse biologique. Parmi les matériaux émetteurs, les luminophores émettant dans le rouge profond/ proche infrarouge (IR) sont les moins développés et présentent un intérêt tout particulier pour des applications dans le biomédical, la sécurité ou encore les télécommunications.

Cependant, dans la gamme spectrale 650-1700 nm, l’efficacité d’émission de ces matériaux est souvent faible en raison de l’extinction des états excités à température ambiante. L’une des voies explorées par le Laplace consiste à mettre en œuvre les luminophores utilisés en spectroscopie et pour de multiples applications dans le domaine biologique et biomédical. Parmi ceuxci, les complexes de platine(II) ont montré des propriétés photo-phyContact : Cedric Renaud (LM) Contexte : Projet Bipoled (2014-2017)

Emetteur de vortex électromagnétiques Projet Bipoled (2014-2017) - B.B’s fellowship commutables supported by Région Occitanie and University Paul Sabatier

siques intéressantes alliant à la fois une forte émission dans le rouge profond/IR et une grande stabilité à température ambiante. C’est dans ce contexte que le Laplace mène le projet Bipoled destiné à l’élaboration d’OLEDs efficaces émettant dans le domaine spectrale > 600 nm. Ce projet repose sur la mise en commun des compétences de chimistes du Laboratoire de Chimie de Coordination et du Laboratoire de Chimie et Physique Quantique d’une part, et de physiciens spécialisés dans la fabrication des composants organiques d’autre part. Cette démarche « de la molécule aux dispositifs » permet ainsi la conception du complexe métallique « idéal » comme matériau émissif, en s’appuyant sur une meilleure compréhension des mécanismes élémentaires mis en jeu lors du processus de luminescence.

Ainsi, les études réalisées ont permis d’avoir accès à des dispositifs émettant dans la gamme spectrale 640 nm-750 nm avec des rendements quantiques supérieurs à 20% et un point de couleur CIE (x=0.69 ; y=0.31). D’autre part, l’une des études menées sur ces complexes a abouti à la réalisation d’OLED jaune avec un point de couleur CIE 2007

7 -201

(x=0.43 ; y=0.5) présentant un comportement électro-chromatique. L’intégration de ces luminophores dans les dispositifs électroniques ouvre ainsi de nouvelles perspectives pour des applications dans le domaine de l’affichage ou encore de la détection. Bien que des résultats encourageants aient été obtenus, le Laplace travaille actuellement sur la possibilité de réaliser ce type de dispositifs par différentes voies technologiques (impression, vaporisation..) qui seraient en adéquation avec les exigences imposées par la fabrication grande échelle et faibles coûts d’OLEDs. Publications principales : •B . Blondel, A. Colin, M Lopes, F Alary, C. Renaud, I. Sasaki, “Investigation of a stericallyhindered Pt(II) complex to avoid aggregation-induced quenching: applications in deep red electroluminescent and electrical switching devices”, Synth. Met. Souspresse (2017) •B . Blondel, F Alary, C. Renaud, I. Sasaki, “Complexes of [Pt(II)(ditert-butylsalophen)] for Bistable Organic Light Emitting Devices”, European Materials Research Society(E-MRS 2016) 2-6 May 2016 , symposium E, Lille, France

29

Stérilisation plasma : des études fondamentales aux prototypes industriels 30

Ce n’est qu’au milieu du XIXème siècle que le lien entre la présence de germes dans l’organisme et le développement de maladies infectieuses a été établi. Cependant, malgré la mise en place de pratiques hygiénistes de plus en plus rigoureuses, on estime qu’en France un acte invasif sur vingt entraîne l’apparition d’une maladie nosocomiale. Les raisons permettant d’expliquer ce taux de prévalence élevé sont en partie liées à des carences des dispositifs de stérilisation actuels : l’autoclavage impose une température de traitement de l’ordre de 120°C, non compatible avec de nombreuses classes de matériaux polymères thermosensibles utilisés dans l’instrumentation médicale moderne alors que l’oxyde éthylène, qui autorise une stérilisation à froid, est proscrit par les autorités sanitaires en raison de sa dangerosité. Les plasmas constituent une nouvelle voie adaptée aux besoins de stérilisation à froid car ils ont la capacité de générer d’importantes concentrations d’espèces chimiques émettrices de rayonnement UV et/ ou fortement réactives à partir de gaz non toxiques et à température

Décharge micro-onde en flux Réacteur de post-décharge en flux à pression réduite

Imagerie MEB de bactéries Escherichia coli avant et après traitement par post-décharge en flux

ambiante. Cependant, de nombreuses contraintes techniques et pratiques, comme la nécessité d’opérer le traitement à travers un emballage étanche assurant la conservation de l’état stérile ou le coût du dispositif (comparé à celui d’un autoclave) ont longtemps été des freins à l’utilisation de procédés plasmas. Le Laplace est un acteur reconnu des études menées dans ce domaine d’application. A caractère fortement interdisciplinaire puisque regroupant à la fois des chercheurs en microbiologie et des praticiens en odontologie, l’activité s’est développée en étroite collaboration avec un partenaire industriel, la société SATELEC-ACTEON et a débouché sur la soutenance de trois thèses (dont deux CIFRE), la co-invention de 4 brevets internationaux, l’obtention de l’ANR PLASMAVIV et l’étude de quatre générations successives de prototypes préindustriels. Focalisés sur l’utilisation de post-décharges en flux à pression réduite (quelques pourcents de la pression atmosphérique), les résultats obtenus concernent tout autant l’optimisation des conditions opératoires (gaz plasmagène, pression,…)

Contacts : Jean-Philippe Sarrette (PRHE) Partenaires : UFR d’Odontologie de Toulouse, I2MR Contexte : Société ATELEC/ACTEON, ANR PLASMAVIV

2007

7 -201

Modélisation de la répartition spatiale des atomes d’azote en géométrie 3D réelle

et la quantification des espèces chimiques nécessaires à l’obtention d’une stérilisation fiable et rapide, que la compréhension des mécanismes d’action des radicaux plasmas sur la matière vivante.

Publications principales : • J .P. Sarrette, S. Cousty, F. Clément, C. Canal et A. Ricard; « Biological decontamination using high and reduced pressure nitrogen afterglows », Plasma Processes and Polymers, vol. 9, pp 576-584, 2012 •H . Zerrouki, V. Rizzati, C. Bernis, A. Nègre-Salvayre, J.P Sarrette et S. Cousty; « E. coli morphological changes and lipid A removal induced by reduced pressure nitrogen afterglow exposure PLOS ONE, vol. 10, e0116083, 2015

Contrôle modulaire décentralisé dédié à la commande de convertisseurs multicellulaires De nos jours, dans le domaine automobile ainsi que dans le domaine de l’informatique grand public, les besoins de calcul effectués par les microprocesseurs contemporains sont toujours croissants. Les fréquences d’horloge restent élevées alors que le nombre de cœurs fonctionnant en parallèle augmente. Afin de leur fournir les courants forts qu’ils nécessitent (>150A) tout en garantissant des niveaux de tension faibles et régulés avec précision (1.2V à 0.8V +/-3%) sous des contraintes de transitoires de charges sévères (>10A/ ns), les alimentations locales appelées VRM (Voltage Regulator Module) nécessitent l’usage d’un nombre de phases parallélisées de plus en plus élevé (ex : 12 phases pour processeur Intel® Core™ i7). La mise en œuvre de la commande d’un tel convertisseur nécessite la plupart du temps un organe de contrôle centralisé utilisé pour calculer les divers signaux nécessaires au bon fonctionnement de l’ensemble.

Cependant, l’accroissement du nombre de phases du convertisseur entraîne une augmentation de la complexité du contrôle ainsi que de sa mise en œuvre (nombre d’interconnections requises élevé). Des travaux menés au sein du Laplace ont permis d’élaborer un pro-

• Principe du contrôle décentralisé permettant à chaque cellule de commutation de calculer sa propre modulante locale, • Circuit intégré analogique HF implémentant 6 modules de contrôle, Emetteur de vortex • Convertisseur 5-phases parallèles 48V/12V 5x15A à cellules GaN électromagnétiques contrôlées de façon décentralisée. commutables

cédé de contrôle entièrement décentralisé. Ce dernier utilise des circuits de contrôle tous identiques, localisés au niveau de chaque cellule de commutation des phases du convertisseur. Par l’usage exclusif de communications de proximité inter-phases, ces circuits de contrôle permettent d’obtenir à la fois un équilibrage des courants des phases, l’entrelacement des commandes et la régulation appropriée de la tension de sortie présente aux bornes de la charge.

Ce principe de contrôle décentralisé présente l’avantage d’être utilisable pour un nombre N de phases élevé quelconque. De plus, sa nature symétrique offre de nouvelles propriétés de reconfiguration dynamique pouvant être pertinentes pour répondre notamment à des problématiques de tolérance à la faute. Son usage pour l’élaboration des alimentations de microcontrôleurs répond avantageusement aux défis actuels que présente cette discipline.

Suite à un dépôt de brevet d’invention en Juillet 2012, un programme de maturation financé par la SATT Toulouse Tech Transfer a donné lieu à la réalisation d’un convertisseur 25-phases (5 cartes comportant chacune 5 phases contrôlées de manière décentralisée). Ce bre-

Contact : Marc Cousineau (CS) Contexte du projet et partenaires : SATT Toulouse Tech Transfer (TTT), NXP Semiconductors

2007

7 -201

vet est actuellement au cœur d’une collaboration de recherche établie entre le Laplace et la société NXP Semiconductors pour la mise en œuvre de dispositifs de conversion d’énergie adaptés au marché de la mobilité du futur, pour des applications nécessitant de la sureté de fonctionnement. Notons enfin que le caractère générique de cette méthode de contrôle trouve également un intérêt pour la commande de topologies multicellulaires séries, de type PFC ou HVDC [3], dédiées à des applications de moyennes à très hautes puissances.

Publications principales : • M. Cousineau, “Modular Static Converters with Parallel or Series Architecture and Decentralized Modular Control”, French Patent Pub. No. WO/2014/005973, Int. App. No. PCT/EP2013/063784, January 2014.

• M. Cousineau, Z. Xiao, « Fully decentralized modular approach for parallel converter control, » in Proc. APEC Applied Power Electronics Conf., US Long Beach, CA, pp.237,243, 17-21 March 2013.

• M. Cousineau, P. Ladoux, N. Serbia « Circuit de conversion statique d’énergie électrique à architecture cascadée et à contrôle modulaire décentralisé, » brevet Français FR 15 60397, Int. App. No. PCT/ EP2016/074751, Octobre 2016.

31

Contrôle du rayonnement UV des lampes excimères par leur alimentation électrique 32

Les lampes excimères sont utilisées pour la production de rayonnements UV, de longueur d’onde sélectionnée selon les applications : désinfection de l’eau, de l’air, stérilisation de produits alimentaires, traitements médicaux (dermatologie), micro-électronique.

Cette longueur d’onde est définie par le mélange de remplissage (gaz rare et faible pourcentage d’halogène) dans lequel est créé un plasma.

Leur structure particulière (électrodes métalliques d’alimentation à l’extérieur de l’enceinte de quartz renfermant le gaz) les rattache à la famille des décharges à barrières diélectriques (DBD) et l’établissement du plasma nécessite des alimentations électriques très spécifiques : tensions très élevées (communément au-delà de 5kV) et courant électrique injecté maîtrisé à des fréquences de fonctionnement atteignant plusieurs centaines de kHz. En effet, et c’est une propriété mise en évidence grâce aux structures spécifiques d’alimentation développées au Laplace, le rayonnement UV produit dépend directement du courant circulant dans le plasma.

L’étude du contrôle du rayonnement

UV de ces lampes excimères est donc à l’intersection des domaines d’activité d’équipes plasma (LM, MPP) et d’équipes systèmes (GENESYS, CS) du Laplace et intégré à l’action transversale OSDP (« Optimisation Source Décharge Procédé »).

Compte tenu des hautes tensions de fonctionnement, la conception de ces générateurs conduit à des solutions intégrant un transformateur : ceci permet de concevoir une électronique de puissance et de contrôle soumise aux contraintes réduites obtenues au primaire. Malheureusement, l’emploi des transformateurs haute tension n’est pas neutre vis-à-vis du transfert d’énergie ; leurs éléments parasites, en particulier les capacités, ont des conséquence néfastes : réduction du courant injecté dans le plasma (amplitude, durée) et de la durée d’allumage effective du plasma ; pour les lampes excimères, réduction du rayonnement UV émis ; pour d’autres applications DBD (traitements de surface par exemple), réduction de la vitesse de traitement.

Afin d’éviter ces inconvénients, les chercheurs du Laplace ont imaginé et 2007

Contacts : Hubert Piquet, Antoine Belinger (Action transversale OSDP) Partenaires des travaux : Les groupes GENESYS, LM, MPP et CS du Laplace, OLISCIE - www.oliscie.com

7 -201

mis au point une alimentation en courant pulsé sans transformateur : ceci a été rendu techniquement possible par la récente disponibilité de semiconducteurs SiC – carbure de silicium - haute tension (1,2 à 10 kV), fonctionnant aux fréquences recherchées (200 kHz).

Des solutions industrielles dérivées des principes développés au Laplace sont aujourd’hui mises au point par la société OLISCIE (applications : traitements dermatologiques).

Publications principales : • M.A. Diop, A. Belinger, J.M. Blaquière, H. Piquet « Parasitic capacitances in DBD tranformerless power supply: an issue?» 2016 High-Tech Plasma Processes Conference, July 3-7, 2016, Munchen, Germany • D. Florez, R. Diez, H. Piquet « DCM Operated Series Resonant Inverter for the Supply of DBD Excimer Lamps » IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 50, pp.

86-93, 2014 • X. Bonnin, H. Piquet, N. Naudé, M. Chérif Bouzidi, N. Gherardi, J.M. Blaquière « Design of a current converter to maximize the power into homogeneous dielectric barrier discharge (DBD) devices » The European Physical Journal Applied Physics, 64(01), 10901, 2013

Matériaux de câbles pour le transport d’énergie HVDC

Distribution de champ électrique fonction du temps dans un câble modèle sous contrainte DC 55kV.

Emetteur de vortex de Distributions spatiotemporelle électromagnétiques charges sur un isolant réticulé avec commutables inversion de polarité.

Le transport d’énergie sous contrainte continue (DC) par liaisons enfouies est en fort développement pour des raisons d’ordre techniques, économiques et sociétales, liées au développement de sites de production d’énergie distribués et éloignés des points de consommation, aux progrès dans les systèmes de conversion d’énergie et à la faible acceptabilité des lignes aériennes. Or, alors que les câbles à isolation synthétique (polyéthylène réticulé) ont de longue date fait leur preuve pour le transport sous contrainte alternative, il n’existe pas à ce jour de solution éprouvée de câbles à isolation synthétique pour des liaisons HVDC (> 400kV), les risques principaux relevant des phénomènes d’accumulation de charges d’espace au sein des isolants et de leur déstabilisation lors des manœuvres sur les dispositifs ou les inversions de polarité. Les besoins exprimés relèvent du développement de matériaux (formulation, synergie de leurs propriétés, impact du procédé de réticulation), de caractérisation et de modélisation des phénomènes de transport et de piégeage de charges.

Dans ce contexte, le Laplace collabore avec des partenaires industriels du domaine des câbles, SILEC en particulier, (qui s’est vue attribuer la fourniture de câbles 320kV pour la liaison Savoie-Piémont, 1200MW, 320kV, 190 km enfouis) pour la proposition de méthodologies de tests et de critères d’évaluation des matériaux pour ces applications. Des mesures de charges d’espace par méthode électroacoustique (PEA) ont été mises en œuvre sur structures sandwich et sur câbles modèles. Le projet a permis notamment de s’équiper d’un dispositif PEA sur câbles (diamètre limite 25mm, contrainte maximale 100kV DC). Un certain nombre de critères de qualité ont été définis pour évaluer le mérite respectif des différentes formulations testées: facteur de renforcement du champ, position dans l’isolant du point de champ maximum, cinétique de décharge entre autres. Ils s’appuient sur l’expression de la durée de vie sous contrainte DC. Les autres développements abordés dans l’équipe autour de ce thème concernent le contrôle de l’injection de charges par l’incorporation de pièges artificiels en surface

Contact : Gilbert Teyssedre (DSF) Contexte et partenaires : SILEC, ANR Modelec, MPP-Laplace (ANR Intail), RTE-EDF-Borealis

2007

7 -201

(Projet ANR Intail), la modélisation du transport sous contrainte DC (ANR Modelec), et l’étude du vieillissement de câbles modèles sous contrainte thermoélectrique DC (Partenariat RTE, EDF, Borealis).

Publications principales : • T.T.N. Vu, G. Teyssedre, B. Vissouvanadin, S. Le Roy, C. Laurent, M. Mammeri, I. Denizet, « Field distribution under temperature gradient in polymeric MV-HVDC model cable: simulation and space charge measurements », Eur J. Electr. Engg. 17, 307-325, 2014 • T.T.N. Vu, G. Teyssedre, B. Vissouvanadin, S. Le Roy, C. Laurent, « Correlating conductivity and space charge measurements in multi-dielectrics under various electrical and thermal stresses » IEEE Trans. Dielectr.

Electr. Insul., 22, 117-127, 2015 •B . Vissouvanadin, G. Teyssèdre, S. Le Roy, C. Laurent, I. Denizet, M. Mammeri, B. Poisson, « A methodology for the assessment of HVDC-XLPE cable insulation », 8th International Conference on Power Insulated Cables, Versailles, 20 - 23 June 2011. Proc.

Jicable’11, pp.50-55, 2011

33

Convertisseurs multicellulaires série : de hautes performances, pour un transfert vers l’industrie réussi 34

L’industrie a de plus en plus recours à l’électricité, vecteur d’énergie propre permettant d’accéder aux meilleurs rendements et au réglage le plus précis grâce à l’Electronique de Puissance. Mais lorsque la puissance est élevée, il est souhaitable d’utiliser des tensions élevées peu compatibles avec les structures classiques ; en effet, bien qu’en constante évolution, les calibres des semi-conducteurs de puissance actuels ne permettent pas toujours de traiter les niveaux de tension utilisés en très forte puissance ; pour des niveaux de puissance de l’ordre de 1 à 10MW des niveaux de tension de 1kV à 10, voire 12 kV sont nécessaires. Pour contourner la limitation technologique des semiconducteurs de puissance et obtenir un rendement optimal, il est alors nécessaire de réaliser des associations en série. Ceci est toutefois très difficile à fiabiliser car le moindre déséquilibre de tension peut être fatal; c’est là qu’interviennent les convertisseurs « à condensateurs flottants » qui permettent, de garantir une répartition de tension équilibrée. Ces associations bénéficient en outre de formes d’ondes améliorées : une augmentation de la fréquence apparente en sortie, et une augmentation du nombre de niveaux de tension découpée. Ces deux propriétés contribuent à améliorer la qualité de l’énergie transmise, à réduire le besoin de filtrage et le temps de réponse transitoire et à augmenter le rendement.

Depuis plus d’une dizaine d’années, le Laplace étudie et développe des archiContact : Thierry Meynard, Phillipe Ladoux, Guillaume Gateau (CS)

« Dispositif électronique de conversion d’énergie électrique » T. MEYNARD, H. FOCH Brevet Français N° 91.09582

Bus 650Vdc / 6kW / h>99.3% MOSFETs 100V / 12 cellules

tectures dédiées pour ces applications haute tension / très forte puissance. Forte de plusieurs dépôts de brevets majeurs dans ce secteur appelé industriellement « Medium Voltage Drive », le Laplace a su transférer son expérience au travers de nombreux contrats d’étude et de cession de licences co-exclusives à des industriels majeurs du secteur. Et d’autres topologies actuellement utilisées dans le secteur industriel sont très fortement inspirées des différents brevets issus du Laplace. Cet axe de recherche est toujours en pleine évolution et des développements sont toujours en cours sur cette thématique. En effet, l’arrivée sur le marché et la montée en puissance de nouveaux composants grand gap (SiC et GaN) a redistribué les cartes et permet d’envisager des applications nouvelles pour ce qui constitue maintenant une véritable famille de topologies novatrices. Ainsi l’utilisation de ces topologies est aujourd’hui envisagée pour des applications de très faible puissance et très basse tension (1 à 10W, 3.3 à 28 V). Si les principes utilisés sont les mêmes, les enjeux sont dans ce cas très différents : augmentation des fréquence de découpage (quelques MHz) avec maintien (voire amélioration des rendements), miniaturisation, intégration des composants magnétiques, intégration monolithique de la commande…

D’autre part, ces nouveaux composants grand gap permettent d’envisager des rendements jamais imaginés à ces niveaux de puissance. Même si ces nouveaux com2007

7 -201

Bus 6kVdc/1 À 8MW IGBT 4,5kV / 3 cellules / 900Hz

3-5VDC / 2-5W & 6-9V / 10-20W

posants peuvent être considérés comme une amélioration majeure des fonctions de traitement de l’énergie électrique, il ne faut pas négliger les problèmes auxquels conduisent leur utilisation compte tenu de leurs capacités à commuter à très haute fréquence. Leur environnement proche est alors soumis à de très fortes perturbations et sera dans un futur proche un des centres d’intérêt des études à mener. Enfin, pour accompagner la diffusion de cette technologie dans l’industrie, 5 chercheurs et anciens chercheurs du laboratoire ont fondé en Aout 2016 la start-up ‘Power Design Technologies’ qui propose un logiciel de conception de ces convertisseurs.

L’aventure continue...

Publications principales : • http://www.lamelee.com/article/midenews/Innovation/power-design-technologies-democratise-la-conception-desconvertisseurs-d-energie-electrique • T. Meynard « Analysis and Design of Multicell DCDC converters Using Vectorized Models » ISBN 978-1-84821-800-0, 158 p., Ed. Wiley-ISTE, 04/2015 • J. Fabre, P. Ladoux, S.E.H. Solano, G. Gateau, J.M. Blaquière « Full SiC Multilevel Chopper for Three-Wire Supply Systems in DC Electric Railways », IEEE ESARS, Nov. 2-4, 2016, Toulouse (FRANCE).

• G. Aulagnier, K. Abouda, E. Rolland, M. Cousineau, T. Meynard, « Benefits of multiphase Buck converters in reducing EME (Electromagnetic Emissions) Analysis and application to on-chip converters for automotive applications. » IEEE Electromagnetic Compatibility (EMC), pp.

102-107, 2015

Etude de l’endommagement de puces de puissance

Sûreté de fonctionnement des convertisseurs Une démarche globale allant de la puce de puissance à la topologie

L’émergence d’applications tout électrique et de systèmes critiques de puissance (transport, énergie, data center, défense, …) implique la recherche de solutions de conversion sûre et disponible tout en préservant un niveau de performance élevé (qualité des formes d’ondes, rendement et puissance spécifique). C’est dans ce contexte que le Laplace développe depuis une quinzaine d’années des activités très diversifiées sur l’adaptation des technologies et des composants, la conception de nouvelles fonctions et structures de conversion incluant des redondances. Celles-ci permettent, au sein même du convertisseur, de cumuler des propriétés essentielles de sécurité passive ou active, de surveillance et de diagnostic intégrables au niveau de l’électronique de pilotage et enfin des stratégies de reconfiguration topologique. La démarche vise à atteindre, à l’échelle du convertisseur, le meilleur compromis complexité – disponibilité, apparaissant comme une alternative pertinente à la redondance système. Sur la base de partenariats Contact : Frédéric Richardeau (CS)

Onduleur de tension multiniveaux hybride à bras auxiliaire polyvalent (équilibreur et secours) pour les applications moteur et énergie.

Analyse technologique du mode de défaillance “fail-toshort” sur puces et modules de puissance.

Reconfiguration d’un système onduleur triphasé double sur moteur pour véhicule électrique. Exemple d’un pyro-switch passif intégré sur PCB.

Formes d’ondes en mode de reconfiguration des onduleurs prototypes réalisés.

industriels riches et de collaborations académiques variées, les photos ci-dessus viennent illustrer des concepts, pour certains brevetés, et des réalisations marquantes.

Publications principales : • A. Bennani-Ben Abdelghani, H. Benabdelghani, F. Richardeau, J. M. Blaquiere, F. Mosser I. Slama-Belkhodja, « Versatile threelevel FC-NPC converter with high fault-tolerance capabilities: switch fault detection and isolation, and safe post-fault operation, » IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.PP, no.99, pp.11, doi: 10.1109/TIE.2017.2682009 2007

7 -201

Surveillance thermique “online” de composants de puissance sur onduleur pour l’aéronautique.

Onduleur triphasé à bras secours et à connexion automatique pour application aéronautique critique.

Emetteur de vortex électromagnétiques commutables

35 Publications principales : •S . Sanchez, F. Richardeau, D. Risaletto, « Design and faultoperation analysis of a modular cyclic cascade inter-cell transformer (ICT) for parallel multicell converters ». Elsevier Mathematics and Computers in Simulation - IMACS, International Association for Mathematics and Computers in Simulation.

Available online 27 February 2016. http://dx.doi.org/10.1016/j. matcom.2016.01.004 •W . Sanfins, D. Risaletto, F. Richardeau, G. Blondel, M. Chemin, P. Baudesson « Preliminary failure-mode characterization of emerging direct-lead-bonding power module. Comparison with standard wire-bonding interconnection » Journal of Microelectronics Reliability, Vol. 55, pp.

1956 -1960, 2016 •T . T. L. Pham, F. Richardeau and G. Gateau, « Real-Time Monitoring for a Five-Level DoubleBoost Power Factor Controller Including Postfault Reconfiguration, » in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 60, no. 9, pp. 4128-4135, Sept. 2013. doi: 10.1109/TIE.2012.2225400

Arcs électriques : disjoncteur haute tension

36

L’amélioration et le développement des réseaux de transport de l’électricité sur de longues distances est un enjeu sociétal majeur. Avec des tensions (400 kV) et des courants de court-circuit élevés (parfois plus de 40kA rms), les disjoncteurs hautetension sont des éléments indispensables de ces réseaux. Aujourd’hui, les disjoncteurs à arc soufflé dans l’hexafluorure de Soufre (SF6) sont les dispositifs les plus utilisés. Néanmoins, leur empreinte écologique est particulièrement mauvaise et, avec l’apparition des réseaux extra haute tension (pouvant aller jusqu’à 800 kV), l’optimisation de ces dispositifs est primordiale. Pendant la phase de fort courant, le plasma créé et ses interactions avec les parois en PTFE conduisent à la montée en pression dans les volumes de chauffage. Au passage par le zéro du courant, cette montée en pression vient souffler l’arc tangentiellement. Les phénomènes radiatifs, les phénomènes de turbulence, les interactions avec les parois, la convection jouent un rôle

Volume de chauffage Chambre de coupure 4. Electrode mobile 5. Paroi PTFE 6. Electrode fixe

déterminant. Afin de mieux appréhender l’ensemble de ces mécanismes étroitement corrélés, la mise en place d’un modèle fluide multi physique s’avère indispensable.

La caractérisation, le développement de code permettant la caractérisation des milieux plasmas thermique en présence d’arc électrique est une des activités reconnue des chercheurs du Laplace. Ces chercheurs contribuent donc à l’optimisation de la compréhension des disjoncteurs haute tension par l’outil numérique depuis plus de 10 ans dans des configurations réelles bi et tridimensionnelles. Les outils numériques développés et validés par des expériences spécifiques réalisées par notre partenaire Siemens permettent de quantifier les quantités érodées et d’aider à l’optimisation des designs dans les bureaux d’étude. Les montées en pression qui conditionnent le pouvoir de coupure des disjoncteurs sont parfaitement prédites. Cependant la coupure ne sera réellement réalisée que lorsque l’arc aura été 2007

Contact : Pierre Freton, Jean-Jacques Gonzalez (AEPPT)

7 -201

éteint. Nous étudions actuellement le passage par le zéro du courant en considérant l’existence d’un potentiel écart à l’équilibre thermique et les répercussions que cela peut engendrer sur un éventuel réamorçage de l’arc.

Un exemple de résultat représentant un champ de température et de pression dans un disjoncteur est présenté.

Publications principales : • J .J. Gonzalez, P. Freton, F. Reichert et al, « PTFE Vapor Contribution to Pressure Changes in High-Voltage Circuit Breakers », Ieee Transactions on Plasma Science, 43, 8, (2015) 2703-2714 •A . Petchanka, F. Reichert, J.J. Gonzalez and P. Freton; « Modelling of the deformation of PTFEnozzles in a high voltage circuit breaker due to multiple interruptions », J. Phys. D: Appl. Phys. 49, 135201, (2016), • J . J. Gonzalez, P. Freton, F. Reichert, D. Randrianarivao, « Turbulence and magnetic field calculations in high voltage circuit breakers », IEEE Transactions on Plasmas science, v40, (2012), p936-940

Intégration de puissance

L’avion plus électrique : des systèmes non propulsifs à la propulsion hybride

Arc électrique

Cooling diphasique

Actionneurs

Décharges partielles

Optimisation système Emetteur de vortex électromagnétiques commutables Health Monitoring

Les 10 premières années d’existence du Laplace furent marquées par une activité intense autour du thème de l’avion plus électrique. Il s’agit de minimiser les masses embarquées par une intégration forte des électroniques de puissance, des actionneurs et par une optimisation poussée des systèmes. L’intégration passe aussi par des matériaux très performants.

La fiabilité est l’autre élément majeur visé par nos recherches, qu’il s’agisse de ‘’health monitoring’’ ou de maîtrise de l’environnement (arcs électriques ou décharges partielles). Ces travaux concentrés sur l’optimisation des constituants et systèmes dits « non propulsifs » ont été menés avec les principaux équipementiers (Liebherr, Zodiac, Safran, Thales,…) et les avionneurs (Airbus surtout, mais aussi Boeing,…), dans le cadre de grands projets européens (MOET,…), nationaux (ISS, GENOME,…) et régionaux (PREMEP, IRT St Exupéry,…). L’intensité et la qualité de ces recherches placent le laboratoire Laplace dans le top 5 des instituts de recherche mondiaux autour de l’avion plus électrique au côté du DLR en Allemagne, de l’Université de Nottingham ou du CPES au Virginia Tech. Plus de 40 thèses soutenues, de nombreux bre-

vets et publications témoignent de cette intensité.

Plus récemment, l’aventure de l’avion plus électrique a pris une autre dimension avec la propulsion hybride.

A l’instar de l’automobile, il s’agit là d’associer la propulsion principale qui resterait thermique à une source électrique (batteries, piles à combustibles) de façon à limiter la consommation en carburant d’origine fossile. Le Laplace est invité à « monter à bord de l’avion hybride », en particulier au travers du projet ‘’HASTECS’’ qui fait partie de « Clean Sky 2 », important programme de recherche H2020 aéronautique européen avec pour objectif de réduire de 20% les émissions de CO2 et de bruit générées par l’aviation à l’horizon 2025. HASTECS (Hybrid Aircraft ; Academic reSearch on Thermal and Electrical Components and Systems) a pour but d’identifier les technologies et ruptures les plus prometteuses et de mettre au point les outils qui permettront d’accroître de manière significative l’efficacité des processus électriques au sein de systèmes de propulsion hybride. Mais les objectifs environnementaux ne peuvent être remplis si les puissances spécifiques ne sont pas suffisamment élevées : le

Contacts : Xavier Roboam (coordinateur HASTECS)

2007

7 -201

consortium HASTECS s’est ainsi fixé pour challenge de doubler au moins la puissance spécifique des électroniques de puissance et des machines électriques pour les porter respectivement à plus de 25 et 10 kW/kg en 2035 en incluant leur refroidissement, et ce malgré des contraintes environnementales particulièrement sévères (thermique, décharges partielles,…): ce saut technologique permettrait une réduction de masse de l’ordre de 1,8 tonnes sur une chaîne à 4 ensembles onduleur – moteur de 1.5MW, offrant à lui seul une réduction du carburant consommé de 3.5% sur un vol régional d’environ 300 miles nautiques.

Leader du projet HASTECS, le Laplace et ses équipes CS, GENESYS GREM3, GREPHE, MDCE pour la conversion de puissance, s’est associé au Centre Interuniversitaire de Recherche et d’Ingénierie des MATériaux (CIRIMAT) qui apportera son expertise sur les batteries haute densité d’énergie ainsi qu’à l’institut Pprime à Poitiers (thermique des machines électriques et électroniques de puissance) pour mener à bien ses recherches.

Références : HASTECS : https://news.cnrs.fr/ articles/hybrid-technology-takesto-the-skies

37

Doc : ECA-EN

JFET SIC

Propulseur Electrique Naval utilisant une Machine à Double Alimentation

38

Les navires du futur, respectueux de l’environnement, utiliseront une propulsion électrique ou hybride, faisant appel à des moteurs électriques performants d’excellente efficacité énergétique assurée par la qualité de sa commande.

Le premier démonstrateur d’un propulseur électrique pour un navire (civil ou militaire) avec une MADA (Machine à Double Alimentation), fonctionnant en mode moteur, a vu le jour. Cette machine est alimentée respectivement, du côté stator et rotor, par deux onduleurs à deux niveaux de tension, connectés sur les deux bus continu.

C’est un système bi-onduleur/ bi-machine couplées magnétiquement.

« de la MADA à rapport de puissance unitaire » a pu être validé. Un premier verrou technologique a pu être identifié et levé par circulation d’eau au niveau du rotor de la MADA alors qu’elle se trouve en rotation. Notons que la MADA permet d’obtenir le double de la vitesse nominale, sans réduction du flux magnétique ce qui offre la possibilité d’un doublement de la puissance utile.

Identifiés comme possibles, les degrés de liberté de la commande de cette machine permettent d’établir les différentes stratégies de contrôle en prenant en considération des cahiers des charges très sévères.

Cette caractéristique doit être accompagnée de la levée d’un second verrou concernant la tenue mécanique de cet actionneur. Un démonstrateur de ce propulseur naval avec une MADA de 300kW alimentée par les onduleurs de tension utilisant les composants de puissance SIC a été réalisé. La commande temps réel adéquate, a été testée avec succès. Ce démonstrateur a répondu au cahier de charge adapté à l’application maritime recherchée.

Ainsi, il a été possible de formuler, auprès des industriels compétents, les concepts d’une structure électromagnétique de la MADA, permettant une répartition équitable des puissances entre le rotor et le stator. Le concept

Contacts : Stéphane Caux (CODIASE) Collaborations : AMPERE, Laboratoire des Systèmes Electriques de l’ENIT de Tunis (Tunisie) Industriels : ECA EN, CIRTEM, IBS, ALSTOM Transport Rayonnement : DGA, Congrès OTAN sur l’Energie pour les Applications Militaires, Octobre 2014, Présentation au Forum DGA innovation, Novembre 2014

2007

7 -201

Publications principales : • M.Abdellatif, M. Debbou, M. Pietrzak-David, I. Slama-Belkhodja « Simple Low Speed Sensorless Dual DTC for Double Fed Induction Machine Drive », Transaction On Industrial Electronics, Vol.61, pp.3915-3922, 2014.

•M . Debbou, M. Pietrzak- David « An optimal control strategy for innovative electric naval propulsion system, » [Tenth International Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies (EVER) 2015, March 31-April 2 2015, Monte Carlo (FRANCE), IEEE, p.1-7, 2015.

•M . Debbou, A. Damdoum, M.Pietrzak-David, « Optimal sliding mode control for DFIM electric marine thruster, » International Conference on Electrical systems for Aircraft, Railway, Ship Propulsion and Road Vehicles& International Transportation Electrification Conference (ESARS-ITECH), 2-4 November 2016, Toulouse, France

*Première structure MHD

Roue inertielle MHD pour Système de Contrôle d’Attitude Orbitale

Dans le cadre de deux études R&T 2010-2012 réalisées pour le CNES, il apparaît qu’un actionneur de type magnétohydrodynamique (MHD) dans lequel un liquide est mis en mouvement par forçage électromagnétique devrait permettre d’améliorer sensiblement la précision des systèmes de contrôle d’attitude orbitale de satellite (SCAO). Il y a toutefois plusieurs verrous à lever au niveau modélisation, conception et commande liés à la difficulté de comprendre le fonctionnement de l’actionneur en liaison avec son application. Ces difficultés sont accentuées par le fait que le comportement dynamique de l’actionneur est régi par les équations de Maxwell en Approximation des Régimes Quasi Statiques couplés aux équations de Navier Stokes.

Une thèse cofinancée DGA/CNES a permis de faire les premières études analytiques et par simulation numérique. Des modèles numériques 2D axisymétriques pour le dimensionnement des actionneurs MHD ont

Contact : Yvan Lefevre (GREM3) Contexte du projet et partenaires : CNES

*Gallium Emetteur de vortex électromagnétiques commutables

été élaborés. Ces modèles ont été utilisés pour étudier la variation de la vitesse en régime permanent ainsi que la constante de temps (montée et descente en vitesse) en fonction du courant d’alimentation et du champ magnétique dans le canal.

Des mesures expérimentales ont ensuite permis de confirmer les principales conclusions obtenues avec les simulations numériques. Le prototype utilisé pour les mesures est un actionneur MHD continu de construction très simple sans bobinages comprenant un canal fabriqué par impression 3D, des aimants permanents, des électrodes et du métal liquide (Gallium).

Les résultats expérimentaux ont montré que les performances obtenues sont très prometteuses. Pour avoir un actionneur MHD « embarquable pour le spatial », il faut maintenant réaliser une alimentation spécifique qui soit la plus « légère » et la plus compacte possible. Un des verrous pour cela est de comprendre de quelle manière alimenter 2007

7 -201

l’actionneur suivant les missions du satellite.

Le CNES envisage dans le cadre d’une nouvelle étude R&T de confier au Laplace la réalisation de cette alimentation spécifique et d’un actionneur MHD pouvant faire les cycles de mission que des spécialistes du SCAO au CNES définiront.

Publications principales : •C . Casteras, Y. Lefevre, D. Harribey - Brevet publié en janvier 2015 “Magnetohydrodynamic inertial actuator” US 20150027244 A1 et un autre en cours de dépôt “MHD Dispositif mécatronique MHD” •M . Mesurolle Y. Lefevre, C. Casteras, “Electric Vector Potential Formulation to Model a Magnetohydrodynamic Inertial Actuator”, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 52, n 3, 8000804, 2015 •Y . Lefevre, D. Harribey, C. Casteras, “Feasibility study of Magnetohydrodynamic Inertial Actuator », Séminaires « Présentation de fin d’étude R&D mécanismes », 13 Septembre 2012, CNES, Centre Spatial Toulouse.

39

La recherche sur l’hydrogène énergie au Laplace

40

Jusqu’ici réservé à l’industrie, l’hydrogène se développe en tant que vecteur énergétique. Il est appelé à jouer un rôle majeur dans un paysage énergétique en pleine mutation.

Il peut en effet être synthétisé par de nombreuses voies dont une particulièrement prometteuse : celle de l’électrolyse de l’eau alimentée par de l’énergie électrique renouvelable.

Couplée à un stockage d’hydrogène (qui peut être un réseau H2) et à la pile à combustible, une fonction de stockage/déstockage d’énergie électrique est réalisée. Mais d’autres voies de stockage (power-to-gas) sont possibles pour cet hydrogène produit par électrolyse comme l’injection dans le réseau actuel de gaz naturel directement ou après sa transformation en méthane de synthèse (réaction de Sabatier). Parmi toutes les utilisations possibles de l’hydrogène, les transports terrestres, tout particulièrement l’automobile, sont les plus avancés (exemple de la commercialisation depuis 2015 de la Toyota Mirai).

Soucieux lui aussi de réduire son empreinte écologique, le monde de l’aéronautique évalue également l’hydrogène et les piles à combustible depuis maintenant plus d’une dizaine d’années.

Dans ce contexte, le Laplace s’est d’une part positionné sur le stockage de l’électricité renouvelable (batterie hydrogène) au sein des micro-réseaux intelligents. A ce sujet, un fait marquant est le partenariat privilégié de 10 ans avec AREVA SE (anciennement HELION) avec notamment 7 thèses communes. D’autre part, le Laplace s’est spécialisé dans les applications aéronautiques des piles à combustible (à ce jour : 7 thèses, 4 post-doctorats) tout d’abord avec AIRBUS, plus récemment au sein de l’IRT SaintExupéry avec SAFRAN, ZODIAC et AIRBUS, ou depuis peu avec le projet PIPAA (sous-projet d’HYPORT) piloté par SAFRAN (4 nouvelles thèses vont démarrer en 2018).

GENESYS, CODIASE et CS traitent des travaux concernant la modélisation et la caractérisation des piles à combustible et des électrolyseurs, le diagnostic de l’état de santé des piles à combustible, le vieillissement des piles à combustible, l’hybridation des piles à combustible avec des supercondensateurs ou des batteries, la gestion énergétique au sein de systèmes énergétiques incluant une pile à combustible et/ou un électrolyseur, le dimensionnement par optimisation de tels systèmes et enfin l’optimisa-

Contacts : Christophe Turpin, Olivier Rallieres (GENESYS)

2007

7 -201

tion de l’électronique de puissance associée à la pile à combustible ou l’électrolyseur.

En termes de moyen d’essais, le Laplace a inauguré en 2011 sa plateforme de 120m² sur le site de l’INPLabège, complétée en 2015 par 60m² sur le site de l’INP-ENSEEIHT. Depuis septembre 2016 et grâce au projet PACAERO (CPER 2014-2020 Etat/Région Occitanie/ Toulouse Métropole et l’AAP Plateforme FEDER/Région Occitanie), le Laplace procède à une forte extension en termes de surface d’essais sur le site de l’INP-Labège (total final : 500m²), mais également en termes de bancs d’essais (le parc initial de 8 bancs sera en effet plus que triplé). Si les travaux d’extension ont été achevés fin mars 2017, l’extension du parc de bancs d’essais s’achèvera en 2018.

Il faut enfin souligner que le projet PACAERO permet d’ouvrir cette plateforme à trois autres laboratoires toulousains aux compétences complémentaires de celles du Laplace : le LGC (Génie Chimique), le CIRIMAT (Matériaux) et l’IMFT (Mécanique des fluides).

Référence : •M .C. Pera, D. Hissel, H. Gualous, C. Turpin, “Electrical Components” Wiley-ISTE editions 2013

Des matériaux « sur mesure » pour l’isolation Emetteur de vortex électromagnétiques commutables

L’évolution des systèmes dans les domaines du traitement de l’énergie électrique est marquée par l’augmentation de la densité de puissance.

Cette augmentation se caractérise par une réduction du volume de certains équipements et/ou une augmentation des niveaux de tension. Ces évolutions ne sont pas sans conséquences car elles peuvent entraîner, via un vieillissement prématuré, une diminution importante de la fiabilité. Plusieurs solutions peuvent être envisagées afin de résoudre ces problèmes : la recherche de matériaux intrinsèquement plus résistants ou encore la modification locale des propriétés électriques des systèmes d’isolation susceptibles de permettre la relaxation des contraintes électriques. La première solution repose sur la découverte de nouvelles formulations chimiques pour les matériaux.

La dernière solution, très prometteuse, a le potentiel de fiabiliser des systèmes sans en modifier la topologie, tout en s’adaptant aisément aux procédés de mise en forme existants.

C’est cette dernière stratégie qui consiste à identifier les zones dans lesquelles le champ électrique est le plus intense et à modifier localement la permittivité complexe, qui a permis au Laplace de proposer un nouveau procédé de dépôt. La méthode développée permet l’auto-structuration de charges présentant de fortes permittivités (ex. poudres de céramiques de type BaTiO3, SrTiO3) ou à résistivité non-linéaire (effet varistance, céramique type ZnO) au sein du système d’isolation, afin de minimiser le champ électrique. Cette méthode repose sur la mise en mouvement des charges par une force liée elle-même à la présence du champ électrique. Ces forces peuvent être soit des forces d’électrophorèse (mise en mouvement d’une particule chargée au sein d’un champ électrique), de diélectrophorèse (mise en mouvement d’une particule électriquement neutre au sein d’un champ électrique non-uniforme) soit enfin de type électrohydrodynamique (mise en mouvement d’un fluide en présence d’un courant électrique). Ainsi, plus 2007

Contact : Sombel Diaham, Thierry Lebey, Zarel Valdez (MDCE)

7 -201

le champ électrique local est intense plus les charges y sont attirées et donc peuvent permettre de minimiser celui-ci comme en attestent les illustrations.

Thèses : •G . Belijar : « Anisotropic composite elaboration and modeling: Toward materials adapted to systems », Université de Toulouse, 2016.

•L . Lévêque : « Nouveaux matériaux composites à gradient de permittivité structurés par un champ électrique et leur application pour la gradation de potentiel », Université de Toulouse, 2017.

Brevet : •S . Diaham, Z. Valdez Nava, L. Lévèque, G. Belijar, L. Laudebat et T. Lebey, Procédé de Traitement d’un Matériau Electriquement Isolant lui Conférant des Propriétés de Gradation de Champ Electrique Auto-Adaptatives pour Composants Electriques, Brevet français d’invention, FR1655173, CNRS/UPS/INUC, 6 juin 2016.

41

Traitement par PAM de tumeur HCT 116

Plasmas froids à la pression atmosphérique : pour une nouvelle thérapie contre le cancer 42

Actuellement le traitement de cancer repose sur la chirurgie, la radiothérapie et la chimiothérapie. Toutefois, ces traitements peuvent être inefficaces et altèrent de manière irréversible la qualité de vie. C’est pourquoi le développement de nouvelles thérapies est nécessaire.

Au cours des dernières années, il a été démontré que les plasmas à la pression atmosphérique ont des effets antiprolifératifs sur une variété de cellules cancéreuses conduisant à leur inactivation par apoptose. Cette dernière est principalement due aux processus dépendants de la production des ROS et RNS (Reactive Oxygen and Nitrogen species) intracellulaires amorcés par les traitements directs par plasma et provoquant notamment des dommages de l’ADN dans les cellules cancéreuses.

Récemment, une nouvelle approche a été mise en place par activation de milieux liquides par plasma (PAM). Dans ce cas, on expose un milieu liquide préalablement choisi (milieu de culture des cellules DMEM ou PBS…) puis on immerge les cellules cancéreuses dans

Jet de plasma DBD Hélium

Effet génotoxique du PAM observé pour différentes durées d’activation (Texp = 60 s, 120 s et 240 s). Immunodétection des dommages à l’ADN (phopho-H2AX, vert- sur coupes cryogéniques de 5 µm d’épaisseur 4h après le début du traitement. Les noyaux cellulaires sot marqués en bleu par l’utilisation de DAPI. Échelle : 100 µm

ce PAM dans le cas des études in-vitro.

Il est important de souligner que le PAM peut être une alternative pratique pour le traitement des tumeurs cancéreuses non accessibles par les plasmas en in-vivo.

Au sein du Laplace deux nouvelles stratégies d’inactivation des cellules cancéreuses fondées sur le traitement direct par jets de plasma et l’utilisation de PAM ont été étudiées sur des modèles de tumeurs tridimensionnels de cellules cancéreuses colorectales HCT116 et FaDu (tête et cou). Nos résultats ont mis en évidence les effets anti-prolifératifs, genotoxiques et cytotoxiques des jets de plasma et du PAM. Les résultats obtenus suggèrent la participation d’espèces radicalaires qui génèrent des sous-produits aqueux à plus longues durée de vie dans le déclenchement des processus de mort cellulaire.

D’autre part, un effet sélectif du PAM sur les cellules tumorales, excluant les cellules saines, a été observé. De plus, le PAM reste efficace après un temps de stockage d’au moins une semaine.

2007

Contacts : Nofel Merbahi (PRHE) Collaborations : ITAV, IMRCP, LCC, IPBS Contexte : UFTMIP, Région Occitanie, GRD ABIOPLAS

7 -201

L’approche in vivo a permis d’étudier l’influence du volume tumoral sur la réponse aux traitements (par jets de plasma et PAM) et la prise en compte de la toxicité des espèces réactives anticancéreuses sur les cellules saines.

Ces tests précliniques ont permis l’évaluation des potentialités des plasmas froids à la pression atmosphérique comme nouvelle stratégie thérapeutique anti cancéreuse.

Publications principales : • F. Judée, N. Merbahi, M. Yousfi, « Genotoxic and Cytotoxic Effects of Plasma-Activated Media on Multicellular Tumor Spheroids » Plasma Médecine Vol 6, pp. 47-57, 2016, • J.-M. Plewa, M. Yousfi, C. Frongia, O. Eichwald, B. Ducommun, N. Merbahi, V. Lobjois « Low-temperature plasma-induced antiproliferative effects on multi-cellular tumor spheroids » New Journal of Physics Vol. 14, p.2014, •F . Judée, C. Fongia, B. Ducommun, M. Yousfi, V. Lobjois & N. Merbahi « Short and long time effects of low temperature Plasma Activated Media on 3D multicellular tumor spheroids » Scientific Reports 2016 | 6:21421 | DOI: 10.1038/srep21421

Claquage et recouvrement diélectrique des gaz pour une meilleure fiabilité des disjoncteurs Haute-Tension La réduction de la taille des disjoncteurs HT (Haute Tension) avec une fiabilité optimale est un enjeu industriel majeur. Dans ces appareils de coupure, l’hexafluorure de soufre (SF6) sous pression est soufflé pour éteindre l’arc électrique généré par l’interruption du courant. Le milieu gazeux chaud qui en résulte est formé par les produits de dissociation du SF6 ainsi que des sous-produits issus de l’ablation de la buse et des parois en téflon (C2F4) et des électrodes souvent constituées de tungstène et de cuivre.

Le succès de la coupure en présence de la Tension Transitoire de Recouvrement (TTR) dépend de la tenue diélectrique du mélange gazeux lors de son recouvrement diélectrique en particulier lorsque sa température devient proche de 3000 K. Le Laplace a acquis depuis plusieurs années une forte expertise dans le domaine de l’étude de la tenue diélectrique des mélanges de gaz tièdes dans le cadre de ses activités contractuelles avec les industriels

Exemples de champs critiques calculés dans un mélange SF6 + C2F4 entre 300 et 4000K à 8 bar

Emetteur de vortex électromagnétiques commutables Distribution du critère diélectrique basé

sur les champs critiques et fraction massique du C2F4 dans le volume d’arc au maximum de la TTR pour une coupure avortée et une réussie.

Areva, Alstom puis Siemens. Cette expertise permet :

constitués de SF6, de téflon et d’espèces métalliques.

- le calcul des champs critiques de claquage par résolution multi-termes de l’équation de Boltzmann des électrons précédée par la détermination des sections efficaces des nombreux sous-produits complexes issus de la décomposition du gaz isolant (environ une quarantaine d’espèces atomiques et moléculaires comme S, F, C, SFx, CFy, CSz, etc.).

Ces données sont ensuite utilisées dans des simulations de type Computational Fluid Dynamics (CFD) pour le dimensionnement optimal de la nouvelle génération de disjoncteurs HT qui permettront d’éviter les échecs à la coupure pendant le recouvrement diélectrique.

- la validation expérimentale des données par des mesures originales de température, de densité et de champs critiques de claquage des mélanges gazeux équivalents à ceux des disjoncteurs et chauffés par des dispositifs micro-ondes appropriés.

Ces études permettent de constituer des banques de données sur les tenues diélectriques pour de larges intervalles de pression (1 à 100 bar), de température (300 à 4000K) et de composition des mélanges gazeux

2007

Contact : Mohammed Yousfi (PRHE) Collaborations : Areva, Alstom, Siemens

Dispositif micro-ondes pour chauffer le gaz et électrodes utilisées pour mesurer la tension de claquage dans les conditions choisis pour le mélange gazeux incluant par exemple du SF6 et du C2F4

7 -201

Publications principales : •M . Yousfi, N. Merbahi, F. Reichert, and A. Petchanka, « Breakdown electric fields in dissociated hot gas mixtures of sulfur hexafluoride including teflon: Calculations with experimental validations and utilization in fluid dynamics arc simulations » J. Appl. Phys. 121, 103302, 2017 •M . Yousfi, Ph. Robin Jouan, Z. Kanzari, « Breakdown electric field calculations of hot SF6 for high voltage circuit breaker applications » IEEE Trans. on Dielectrics and Electrical Insulation 12, 1192-1200, 2005

43

Amélioration de l’efficacité énergétique par la commande

44

En terme de commande la définition de lois de pilotage rapides et réactives sont aujourd’hui revisitées par la nécessité de prendre en compte l’efficacité énergétique. Que ce soit en relation avec le programmecadre de recherche H2020 ou bien l’exigence des consommateurs, les dispositifs de conversion de l’énergie doivent intégrer des procédures visant à limiter la consommation d’énergie et à augmenter le rendement. Voici quelques exemples d’études traités ou en cours de traitement: Injection d’harmoniques de courant dans un moteur à réluctance synchrone afin d’augmenter le couple moyen et réduire les ondulations résiduelles de couple.

Réduction du flux dans l’entrefer pour une machine synchrone à ai-

mant afin d’augmenter la vitesse de fonctionnement tout en contrôlant son rendement.

Alimentation de deux machines synchrones à aimant en parallèle sur le même onduleur afin de limiter les électroniques embarquées tout en limitant les pertes associées.

Développer des nouvelles lois de commande pour le filtrage actif parallèle prenant en compte les déséquilibres des tensions réseaux et les perturbations associées.

Adaptation du niveau de flux dans les variateurs de vitesse à base de machine asynchrone en fonction du point de fonctionnement afin d’optimiser le rendement de conversion.

La réussite de ses actions est liée à une bonne maitrise des modèles d’action et à une adaptation spéci-

Contact : Stéphane Caux (CODIASE) Collaborations : Université d’UTAH, Salt Lake City USA ; Université Saint-Joseph de Beyrouth, LIBAN Partenaires Industriels : Actia Automotive, RENAULT SA, Leroy-Somer, Thalès Cryogénie.

Rayonnement : ANR, PHC (Programme Cèdres)

2007

7 -201

fique des principes de commande issus de l’automatique non-linéaire et de l’optimisation des systèmes.

Références : • Méthode de pilotage d’une machine synchrone à réluctance variable et machine équipée d’un système de pilotage correspondant: Brevet FR 14 55543, RENAULT SAS-INP-CNRS : 17 juin 2014 • Procédé de commande d’un filtre actif parallèle pour réseaux perturbés et filtre actif associé.

Brevet FR 1659825, TTT- Université Saint-Joseph, LIBAN : 11 Octobre 2016.

• New High Speed PMSM FluxWeakening Strategy, 19th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS 2016), November 13-16, 2016, Chiba, Japan.

• An Efficiency Optimizing Controller Design Method for MonoInverter Dual-PMSM System IEEE Interna. Conf. on Power Electronics,Drives and Energy Systems 14-17 /12 2016, Trivandrum, India.

Prix, récompenses, distinctions

45 • Chevaliers et officier dans l’ordre des palmes académiques, • Lauréat de thèse Néocampus, • Prix de l’innovation Aca. Sciences Inscr. et Belles Lettres,

Soirée de gala

LES NOVÉLISÉS

• Finalistes régionaux « ma thèse en 180 secondes »,

5 octobre 2012

Tout le programme sur

• Médaille Fresnel,

www.lanovela.fr

• Prix les « Lauriers de l’Innovation » INP Toulouse, • Prix de la Novela, • Lauréat du concours entrepreneur • Fonds UT1-Capitole, • Docteur Honoris Causa, 7 -201 2007

• Médailles de cristal du CNRS, • Prix Von Engel & Franklin, • Légion d’honneur…

Les mĂŠdias en parlent

46

47

2007

7 -201

ans

UMR 5213 CNRS

Site UPS 118, route de Narbonne 31O62 Toulouse cedex 9 Tél : 33 (O)5 61 55 67 97 Fax : 33 (O)5 61 55 64 52

2007

Site INP 2, rue Charles Camichel - BP 7122 31O71 Toulouse Cedex 7 Tél : 33 (O)5 34 32 23 91 Fax : 33 (O)5 61 63 88 75

7 -201

Site web http://www.laplace.univ-tlse.fr/ Contact prénom.nom@laplace.univ-tlse.fr