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Hdr Année : 2018

DIMENSIONNEMENT DES MACHINES SYNCHRONES A FREQUENCE OPTIMALE DE CONVERSION Vers une Méthode déterministe de Dimensionnement sur Cycle

Résumé

Le rapport proposé est une synthèse de mes travaux de recherches effectués entre 2003 et 2017 au laboratoire IREENA (Université de Nantes, Site de Saint Nazaire). Ces travaux concernent le domaine de la « conception des machines électriques », travaux orientés vers une « approche système » plutôt qu’une « approche modélisation ». Aujourd’hui, les chaînes de conversion d’énergie pour lesquelles la machine électrique n’est qu’un élément parmi d’autres sont dimensionnées de manière globale, sur des critères multiples et très souvent sur cycle. Si les outils d’optimisation sont désormais puissants et permettent d’envisager de résoudre des problèmes de plus en plus complexes, ils ne permettent pas toutefois de tout résoudre. C’est notamment le cas lorsque les systèmes travaillent sur cycle avec des régimes thermiques non permanents. L’optimisation combinée de l’architecture (sur la base de vrais modèles de dimensionnement) et de la stratégie de commande conduit alors à des temps de calculs rédhibitoires dans une démarche de conception. Les travaux sur ce sujet, aujourd’hui nombreux, contournent cette difficulté en réduisant le cycle aux quelques points jugés les plus significatifs et/ou en imposant une stratégie de commande prédéterminée, donc non optimale. Les solutions dégagées sont donc « partielles » et laissent présager des gains significatifs en termes d’efficacité énergétique, de masse et de coûts. J’ai donc, fort de ce constat et au travers des nombreuses activités qui font notre quotidien, cherché à construire des méthodes visant à dimensionner l’ensemble des éléments d’une chaîne de conversion par une formulation explicite à partir de modélisations analytiques. Cette démarche, établie pas à pas au fil du temps, outre une réduction significative des temps de calcul, a pour ambition d’être générique (sur un point ou sur cycle, pour machines synchrones à aimants ou à excitation bobinée…) et évolutive (avec ou sans convertisseur d’alimentation,…). Il a donc fallu repenser la formulation du problème d’optimisation, d’abord machine seule sur un point de fonctionnement, puis machine fonctionnant sur cycle. C’est par le prisme de deux applications classiques que ces travaux sont présentés: les machines fort couple basse vitesse et les machines rapides. Le document comporte trois chapitres. Dans le premier chapitre, je présente de façon classique mon CV détaillé. Dans le deuxième chapitre, intitulé « Les outils de la conception des machines électriques », je présente les modèles de dimensionnement des machines synchrones adaptés à l’utilisation envisagée. Je m’attache en particulier à montrer pourquoi nous nous sommes limités à des modèles analytiques (modèle électromagnétique 1D pour la machine) alors qu’il existe des modèles plus performants. Je présente également les modèles thermiques et mécaniques, particulièrement importants, pour le dimensionnement des machines rapides notamment. Ces derniers, souvent peu détaillés dans la littérature du génie électrique avec des conditions d’utilisation peu ou pas du tout explicitées, sont ici, soit recalculés après retour à la théorie (calcul des vitesses critiques), soit comparés puis sélectionnés après recensement dans la littérature du génie électrique (pertes aérodynamiques) Le troisième chapitre, intitulé « Machines électriques à fréquence de conversion optimale», commence par présenter une formulation générale du dimensionnement sur un point de fonctionnement des machines synchrones à pôles lisses. L’approche, de type formel, est intéressante par son résultat et son potentiel en terme d’exploitation puisqu’elle aboutit à une formulation analytique de la solution où les variables sont explicitement mises en relation avec les critères d’optimisation. La maximisation de la puissance volumique des machines rapides ou la maximisation du couple massique des machines lentes constituent des critères d’optimisation récurrents dans bon nombre d’applications. Ils sont une image des performances intrinsèques limites d’une machine et la fréquence électrique de conversion constitue un paramètre clef du dimensionnement. Ce troisième chapitre comporte donc deux sous parties : la maximisation du couple massique des machines fort couple basse vitesse et la maximisation de la puissance volumique des machines hautes vitesses. Les machines fort couple basse vitesse : lorsque l’application nécessite une vitesse de rotation « très basse » avec une attaque directe (éolien, propulsion navale…), le couple massique est maximisé en augmentant autant que possible le nombre de paires de pôles avec des sections de culasses les plus fines possibles. Pour les machines à bobinage classique avec un nombre d’encoches/pôle/phase entier, on est donc confronté à cette limite qu’on ne peut repousser qu’avec des matériaux à haut niveau de saturation. Parmi les quelques solutions permettant d’accroître les performances au-delà de cette limite, la solution d’un bobinage dit « fractionnaire » constitue un bon compromis entre performances et complexité de réalisation. Cette solution, en travaillant sur un harmonique du spectre de la force magnétomotrice, permet, pour une fréquence d’alimentation donnée, d’accroître la fréquence de conversion donc d’approcher la fréquence théorique optimale. Sur cette structure non conventionnelle, il a été nécessaire de se concentrer sur le seul bobinage avant d’envisager un dimensionnement complet. Les travaux présentés montrent donc comment, par un paramétrage permettant la généralisation de l’étude, il a été possible de dégager les bobinages les plus performants. Un travail de dimensionnement de la machine complète est ensuite présenté permettant de valider cette démarche. Les machines rapides à forte puissance volumique : cette partie montre comment il est possible d’exprimer la puissance volumique optimale de ces machines sous forme analytique, là où les outils numériques d’optimisation délivrent un résultat difficilement interprétable. Ce résultat, comparable avec celui fourni par un algorithme génétique, a servi de support à la réalisation d’un banc d’essais (30 000 tr/min), validant ainsi la démarche. Les critères de choix des matériaux (tôles ou poudres de fer, aimants) et de la fréquence de conversion sont clairement définis par cette méthode. A partir de cette optimisation et de la démarche qui a conduit au résultat, l’optimisation pour des fonctionnements sur cycle a pu être résolue relativement facilement. Au travers d’exemples (visseuse électrique, accumulateur électromécanique d’énergie et véhicule automobile), on montre alors comment il est possible d’optimiser, avec des temps de calculs très faibles, à la fois les paramètres de commande et la géométrie des machines tout en considérant l’ensemble des points de fonctionnement du cycle. Les résultats présentés, sur la base d’une optimisation bi-objectifs (ici minimisation des pertes moyennes sur cycle et minimisation du volume), montrent ainsi comment l’optimisation du défluxage (action sur l’angle entre courant et fem) permet à la fois de réduire les pertes et la contrainte sur le convertisseur d’alimentation. Les gains obtenus pour la machine en termes de pertes et de volume par rapport à une commande classique sans défluxage (commande à id=0) sont présentés. La prise en compte des pertes du convertisseur d’alimentation est abordée pour une application (accumulateur électromécanique d’énergie) sans toutefois qu’elle soit intégrée dès la phase d’optimisation. Ce dimensionnement mené de manière séparé est une première étape vers un dimensionnement complet de la chaîne de conversion. En conclusion, après avoir rappelé les points saillants des travaux, le rapport termine sur les perspectives envisageables. Parmi ces perspectives, l’intégration du convertisseur d’alimentation (calibres des semi-conducteurs, modèle de pertes et modèle thermique) dans la phase d’optimisation constitue la suite logique des travaux menés jusqu’à aujourd’hui. Par ailleurs, utilisée pour d’autres applications que celles montrées dans le document, la méthodologie de dimensionnement a montré qu’elle s’adapte très bien à tout type de cycle et tout type d’application (machines lentes notamment). Pour aller dans le sens d’une généralisation de la méthode, on cherchera donc à l’étendre aux structures saillantes.
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  • HAL Id : tel-01875127 , version 1

Citer

Nicolas Bernard. DIMENSIONNEMENT DES MACHINES SYNCHRONES A FREQUENCE OPTIMALE DE CONVERSION Vers une Méthode déterministe de Dimensionnement sur Cycle. Sciences de l'ingénieur [physics]. IUT - Institut Universitaire de Technologie [Saint-Nazaire]; IREENA - Institut de Recherche sur l'Energie Electrique de Nantes-Atlantique (IREENA) EA 4642, 2018. ⟨tel-01875127⟩
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