Development of methods and tools for the design and optimisation of Brushless Doubly-Fed Induction Machines for variable speed application in Hydro-generation

par Nicolas Moisson franckhauser

Thèse de doctorat en Genie electrique

Sous la direction de Frédéric Wurtz et de Lauric Garbuio.

Le président du jury était Georges Barakat.

Le jury était composé de Thomas Lugand, Xavier Roboam.

Les rapporteurs étaient Abdelmounaïm Tounzi.

  • Titre traduit

    Développement de méthodes et d'outils pour le design et l'optimisation de la machine à induction à double alimentation sans balais (BDFM) pour de la vitesse variable dans des applications de génération hydraulique


  • Résumé

    Les Stations de Transfert d’Energie par Pompage (STEP) sont des structures importantes pour stabiliser le réseau électrique.Les technologies à vitesse variable peuvent améliorer l'efficacité et la souplesse d’utilisation des STEPs. Les technologies actuelles telles que les machines alimentées en fréquence variable, ou les Machines Asynchrone à Double Alimentations (MADA) présentent des inconvénients. Dans ce travail, nous nous concentrons sur une structure non conventionnelle de machine à vitesse variable : la Machine à Induction à Double Alimentation sans Balais (BDFM). Les objectifs sont de mieux comprendre le fonctionnement de cette machine pour la dimensionner, l’optimiser et finalement la comparer aux structures existantes.Après un examen des techniques de dimensionnement et d'optimisation des machines classiques, des approches similaires sont étudiées pour les BDFM. Deux méthodes différentes pour des simulations éléments finis plus rapides de la BDFM sont présentées : une première, la plus rapide mais qui ne considère pas le phénomène de saturation et une seconde basée sur le principe des simulations magnétoharmoniques. Une analyse harmonique minutieuse combinée à une comparaison de cas en charges (couplage-croisés) entre des simulations FE et les résultats obtenus avec des schémas équivalents obtenus dans la littérature conduit à une modification du circuit équivalent de la BDFM. Une nouvelle méthode pour déterminer les paramètres de ce circuit grâce à des essais électriques est ensuite présentée. La détermination des paramètres à partir de la géométrie est également abordée pour aboutir à un modèle semi-analytique dérivable. Un tel modèle, couplé à un algorithme d'optimisation du 1er ordre pourrait être extrêmement puissant lors du dimensionnement d'une BDFM. Le potentiel d'une telle approche est montré dans ce travail grâce à l'optimisation d'une machine à induction.


  • Résumé

    Pumped-hydro storage plants (PSP) are important assets to stabilize electric grids.Variable speed technologies can improve the cycle efficiency and the power adjustability of PSPs. Current technologies such as fully-fed machines or Doubly-Fed Induction Machines (DFIM) have drawbacks. In this work, the focus will be on an unconventional design of variable speed machine: the Brushless Doubly-Fed Induction Machine (BDFM). The objectives are to better understand the working principles of this machine so as to size it, optimize it, and compare it to other types of variable speed machines.Following a review of sizing and optimization techniques for conventional machines, similar approaches are investigated for BDFMs. Two different methods for faster Finite-Element (FE) simulations of the BDFM are presented: a fast one without saturation considerations and another one based on the principle of magneto-harmonic simulations. A careful harmonic analysis combined with a comparison of cross-coupling tests between FE simulations and results of equivalent circuit found in the literature will lead to a modification of the BDFM equivalent circuit. A new method to determine the parameters of thisequivalent circuit from electrical tests is presented. The parameters determination from the geometry will also be considered for the elaboration of a derivable semi-analytical model. Such a model, paired with a 1st order optimization algorithm could be extremely powerful during the sizing of a BDFM. The potential of such an approach is shown in this work with the optimization of an Induction Machine.


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