Enjeux et contraintes de la simulation électrique

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1 Enjeux et contraintes de la simulation numérique en Génie G électrique François COSTA, SATIE, UPEC IUFM Activité en recherche Électronique de puissance, compatibilité électromagnétique, intégration de puissance Activités s en enseignement Master Métiers de la formation aux technologies de l industrie, de gestion et de la santé (MFTIGS) UPEC IUFM

2 Enjeux et contraintes de la simulation numérique en Génie G électrique 1 la simulation pour quoi faire? 2 simulation et "coût" de calcul, 3 la simulation multi échelles multi physiques : question du temps et de l'espace, simulation couplée 4 simulation vs expérimentation : une complémentarité obligatoire 5 conclusion : quelles compétences?

3 Les besoins et les objectifs Simuler=prédire 1. Analyser : expérimentation/mesure pas toujours possible 2. Concevoir, dimensionner un équipement ou un système 3. Anticiper, le fonctionnement d un dispositif et ses interactions avec son environnement sans réaliser un prototype Simulation dans le domaine du Génie G électrique 1. grandeurs électriques (tension, courant, puissance) dans un équipement ou dans un système, domaines temporel ou fréquentiel 2. champs électromagnétiques dans l espace ou dans les matériaux, domaines fréquentiels ou temporels, 3. grandeurs thermiques, mécaniques et électriques

4 Le processus de la simulation 1- Modélisation Description de l objet d étude : modèle physique vs comportemental décrit par son comportement «extérieur» Domaine d étude : temps, fréquence, espace 2- Calcul/résolution/sortie des informations utiles Méthodes analytiques vs numériques Réduction d ordre, dégradation de la précision 3- Représentation/exploitation Données numériques, courbes, cartographies, représentations 3D

5 1 la simulation pour quoi faire?

6 1 la simulation pour quoi faire : analyser, concevoir, anticiper? Simuler pour concevoir Cahier des charges Modèles pour la conception -Domaine fréquentiel et/ou temporel - paramétrables (routines d optimisation) -coût de calcul raisonnable Cycle de conception Contraintes fonctionnelles, normes Conception sous contraintes non Contraintes CEM Conditions remplies? Contraintes mécaniques et thermiques, coûts Conception virtuelle Outils CAO (électrique, thermique, mécanique) Chaque domaine d analyse (mécanique, électrique, thermique) nécessite un outil spécifique! les différentes familles d outils de simulation (électriques, mécaniques, thermiques) sont difficilement compatibles Prototype Vérification fonctionnelle, thermique, mécanique, CEM non industrialisation

7 1 la simulation pour quoi faire : analyser, concevoir, anticiper? Simuler pour dimensionner Exemple : source DC-DC, dimensionnement des composants magnétiques Modèle géométrique La simulation aboutit au composant optimal en termes de performances électriques et thermiques dans un volume minimal

8 1 la simulation pour quoi faire : analyser, concevoir, anticiper? Simuler pour analyser Formulation analytique des paramètres Identification expérimentale des paramètres Calcul numérique des paramètres (Maxwell, Ansys,Saber, Pspice) Extraction des paramètres Exemple : stratégie générale pour la simulation en CEM Modèles de mode commun Solveur circuit Modèles électriques de mode différentiel Grandeurs électriques de mode commun Grandeurs électriques de mode différentiel Niveau modélisation/simulation Domaine temporel/fréquentiel Modèles analytiques de calcul de champ Cables, connections Modèles numériques de calcul de champ Structures 3D Compatibilité à la norme Solveur Champs rayonnés par la structure et/ou les liaisons

9 1 la simulation pour quoi faire : analyser, concevoir, anticiper? Simuler pour l analyse virtuelle Un exemple : la simulation de l efficacité de blindage électromagnétique 1- Blindage du système 2- maillage de la structure 3- Antenne d émission 4- Champ E rayonné (axe Y), F=100kHz Densité des courants de surface

10 2 Simulation et coût de calcul

11 2 Simulation et coût de calcul Maillage du domaine Principes Il est toujours nécessaire de discrétiser le domaine d étude (temps et/ou espace) Exemple : calcul de l évolution temporelle des champs électriques et magnétiques en tout point du domaine Méthode différentielle 1. Adaptation du maillage àla diversité des géométries : contraint par la plus faible dimension Domaine de calcul maillage La précision requiert un maillage fin e i1 e i b j A j b j e i3 e i4 e i2 Champ électrique Flux magnétique 2. Application des lois locales de la physique : équations de Maxwell 3. Solutions itératives àpartir des conditions connues aux limites du domaine 4. Contraintes entre pas de temps et pas d espace Limitation : le coût de calcul = ressources numériques à mettre en œuvre pour obtenir un résultat avec une précision donnée dans un temps acceptable

12 3 la simulation multi échelles multi méthodes

13 Niveau 1 Système Complexe (dispositif électrique dans son environnement) Sous Systèmes de Niveau 2 Modélisation de l environnement Modélisation des interconnections Réseau de bord 14V, Réseau HT Chaîne de traction, système recharge batteries, Faisceaux de câbles Réduction de l ordre du problème Sous Systèmes de Niveau 3 Chaîne de traction : onduleur, batterie, câble, machine Jeux de barres, bus barres, câbles Intégration d un sous système niveau N au niveau N 1 Liens entre les outils logiciels et les modèles Sous Systèmes de Niveau 4 Cellule de commutation, convertisseurs DC DC, onduleur, Circuits imprimés Besoin d une plateforme logicielle dédiée 3 la simulation multi échelles Modélisation par sources équivalentes Adapter la méthode de simulation à l échelle du problème Sous Systèmes de Niveau 5 Composants magnétiques, interrupteurs de puissance, 13

14 4 Simulation vs expérimentation

15 4 Simulation vs expérimentation Semiconducteurs de puissance : «cœurs»de la gestion de l énergie pour la traction électrique (TGV) et l automobile hybride/électrique.! Problème : la «casse»de ces composants soumis à cycles thermiques occasionne des pertes d exploitation importantes Nécessité de connaître parfaitement la durée de vie et la fiabilité en contraintes thermo électro mécaniques réelles pour la maintenance préventive. Démarche : du composant objet technologique àla physique «fine»du composant expérimentation en conditions de fonctionnement réel, observation des dysfonctionnement bancs de tests analyses physico électrique des composants méthodologie d analyse, élaboration de modèles d endommagement couplage de modèles physiques mécaniques, thermiques et électriques, validation des modèles physiques : approche par solutions analytiques et/ou numériques, nouvelles solutions : cycle Objet techno. physique µ coupures fissurations Echauffements

16 5 Simulation et compétences Simuler de façon efficace suppose 1. Compétences de spécialiste 2. Connaissances des principes de simulation et des méthodes numériques employées, 3. Aptitude à dialoguer avec d autres spécialistes de domaines connexes (ou non!), 4. Pratique forte de l expérimentation/caractérisation pour une analyse critique des sorties de la simulation, Pour conclure Quelle formation pour l «honnête homme de la simulation»?

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18 3 la simulation multi échelles Adapter la simulation à l échelle du problème Exemples d objectifs : analyser des phénomènes CEM (parasitages), optimisation conception des filtres sous contraintes CEM, prédiction par rapport aux normes Simulation des interconnexions et des couplages (Couplages conduits et rayonnés dans les câbles) Problèmes à traiter : - Comment échanger des données et des modèles? Liens fonctionnels et de simulation Modèle équivalent du sous-système : modèles propriétaires pour la confidentialité du modèle, paramètres à identifier besoin de banc de caractérisation modèle boite noire représentatif du fonctionnement vu de l extérieur fonctions de transfert représentatives du sous-système (interconnection, fonction de transfert de rayonnement, etc..) Système Dilemne complexité/temps de calcul /précision pour la simulation Modélisation : sources équivalentes, connexions, charges techniques mathématiques pour réduire l ordre des systèmes Simulation en fréquence : besoin d instrumentation virtuelle (analyseur de spectre) Logiciel spécifique : coûteux Besoin d une plate-forme logicielle capable de relier les outils existants

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