Faculté informatique et communications IC, Section des systèmes de communication, Institut de systèmes de communication ISC (Laboratoire de systèmes non linéaires LANOS)

Modelling of high temperature superconductors for AC power applications

Stavrev, Svetlomir ; Hasler, Martin (Dir.)

Thèse sciences techniques Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2002 ; no 2579.

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    Summary
    This Ph.D. thesis is focused on the development of novel models for calculation of AC losses, current and magnetic field profiles in high-temperature superconductors (HTS). The thesis is concentrated on the modelling of Bi-2223 conductors at 77 K, which for the moment have the most advanced manufacturing technology and will be primarily used in the first large-scale power applications of high-temperature superconductors. The analysis of AC losses in Bi-2223 conductors is the leading thread in the structure of the thesis. An introduction to high-temperature superconductivity is made with special emphasis on the mechanisms of AC losses in HTS. Presented are some of the most promising power applications of HTS materials together with a discussion on the required improvements in their performance. A model for dissociating the hysteresis, eddy-current and resistive flux-creep loss contributions, based on relatively broad-range frequency measurements on Bi-2223 tapes has been used for analysis of the frequency behaviour of the transport-current loss in self-field. The hysteresis, eddy-current and flux-creep loss components have been separated due to their different frequency dependence. The study of eddy current loss in the silver sheath and matrix has been complimented by numerical simulations using a simple electromagnetic model of HTS tapes. Described is an original method for estimating the performance of Bi-2223 tapes in typical power grid perturbations by experiments and analysis of over-critical current excursions of various waveform, frequency and current amplitude up to 20×Ic. For precise calculation of the AC losses and studying the electromagnetic properties of HTS with smooth current-voltage characteristics and complex geometry, the finite element method (FEM) has been used. The implementation of the power-law model of the E-J characteristic of HTS into the FEM software package Flux2D is presented. The Flux2D implementation has been validated by means of comparison with results from theoretical predictions, electrical measurements, and other numerical methods. The significance of the power index n and the lateral distribution of the critical current density Jc in multifilamentary HTS tapes has been evaluated by FEM simulations. New anisotropic models of Jc(B) and n(B) for textured Bi-2223 materials have been developed. The models are based on experimental data; they are fairly simple and take into account the orientation of the local magnetic field. These models have been used in FEM simulations on monofilamentary and multifilamentary Bi-2223 conductors with different geometry and filament arrangement. In conductors with given Jc(B) dependence, the notion of effective AC critical current has been defined. The AC losses in Bi-2223 multifilamentary flat tapes and wires of round and square geometry in various operating conditions have been calculated and compared. The AC loss analysis has been supported and complimented by current density and magnetic flux distributions in the different conductors. The influence of the shape factor of the geometry and the filament orientation with respect to the local magnetic field has been thoroughly investigated. The optimal geometry and filament arrangement have been determined for each application.
    Résumé
    L'objectif principal de cette thèse est le développement de nouveaux modèles pour le calcul des pertes AC et des profils de courant et champ magnétique dans les supraconducteurs à haute température (HTS). La thèse est concentrée sur la modélisation des conducteurs Bi-2223 à 77 K qui, pour le moment, ont la technologie de fabrication la plus avancée et seront principalement utilisés dans les premières applications de puissance des supraconducteurs à haute température. La réduction et l'optimisation des pertes AC des conducteurs Bi-2223 est le principal fil conducteur dans la structure de la thèse. Une introduction à la supraconductivité à haute température est faite avec une attention particulière sur les mécanismes des pertes AC dans les HTS. Certaines des applications de puissance les plus prometteuses des matériaux HTS sont présentées ainsi qu'une discussion sur les améliorations de leurs performances que cela implique. Un modèle pour dissocier les contributions aux pertes d'origine hystérétique, par courants de Foucault ou résistives liées aux mécanismes de flux-creep a été utilisé. L'analyse du comportement fréquentiel des pertes avec un courant transport en champ propre dans des rubans Bi-2223 est à la base de ce modèle. Les composantes d'origine hystérétique, liées aux courants de Foucault ou aux mécanismes de flux-creep ont été séparées grâce à leur différente dépendance en fréquence. L'étude des pertes par courants de Foucault dans la gaine et la matrice d'argent a été complétée par des simulations numériques utilisant un modèle électromagnétique simple des rubans HTS. Une méthode originale a été utilisée pour estimer la performance des rubans Bi-2223 lors de perturbations typiques au réseau électrique. L'analyse d'expériences d'excursions au-dessus du courant critique avec diverses formes d'onde, à différentes fréquences et avec des amplitudes jusqu'à 20×Ic ont permis de faire ces estimations de performance. L'implémentation du modèle en loi de puissance de la caractéristique E-J de matériaux HTS dans le logiciel de calcul par éléments finis (FEM) Flux2D est présentée. Cette implémentation dans Flux2D a été validée par des comparaisons avec des résultats de prévisions théoriques, des mesures électriques, ainsi que d'autres méthodes numériques. L'importance de l'index de puissance n et de la distribution transversale de la densité de courant critique Jc dans des rubans multifilamentaires de HTS a été évaluée par des simulations FEM. Des nouveaux modèles anisotropes de Jc(B) et de n(B) pour les matériaux Bi-2223 texturés ont été développés. Ces modèles sont basés sur des données expérimentales; ils sont assez simples et tiennent compte de l'orientation du champ magnétique local. Ils ont été utilisés dans des simulations FEM sur les conducteurs monofilamentaires et multifilamentaires Bi-2223 avec différentes géométries et configurations de filaments. Dans des conducteurs avec une dépendance Jc(B) donnée, la notion de courant critique efficace AC a été définie. Les pertes AC dans les rubans plats et fils Bi-2223 multifilamentaires avec géométrie ronde et carrée ont été calculées et comparées dans diverses conditions opérationnelles. L'analyse des pertes AC a été vérifiée et complétée par le calcule des distributions de densité de courant et flux magnétiques dans les différents conducteurs. L'influence du facteur de forme de la géométrie et de l'orientation des filaments par rapport au champ magnétique local a été étudiée à fond. Une configuration optimale de la géométrie et des filaments a été déterminée pour chaque application.