Energy efficiency improvement of a squirrel-cage induction motor through the control strategy

by Gabriel Khoury

Doctoral thesis in Génie Électrique

Under the supervision of Maurice Fadel and Ragi Ghosn.

Thesis committee President: Luc Loron.

Thesis committee members: Maurice Fadel, Ragi Ghosn, Luc Loron, Babak Nahidmobarakeh, Guy Clerc, Flavia Khatounian.

Examiners: Babak Nahidmobarakeh, Guy Clerc.


  • Abstract

    Energy efficiency optimization of electric machines is an important research field and is part of the objectives of several international projects such as the European Commission Climate and Energy package which has set itself a 20% energy savings target by 2020, and was extended for 2030 with higher targets. Therefore, this thesis proposes an efficiency optimization method of the Induction Machine (IM) through the variation of the control parameters. To achieve this goal, the flux in the airgap is modified according to an optimal flux table computed off-line for all possible operating points. The flux table is calculated with the best possible accuracy through an improved dynamic model of the IM, developed in these works. The latter avoids the main drawback of the classic dynamic model, by considering the effect of core losses. The core loss model established by Bertotti is used. It depends on the frequency and the amplitude of the magnetic field. The losses are then represented by a variable resistor, continuously evaluated according to the operating point. The established optimal flux table is a function of the operating conditions in terms of torque and speed. Indeed, the results show that the flux can be optimized for torque values less than about half the rated torque, and that this threshold is influenced by the speed. The proposed optimization method is simulated, then tested for the scalar control and the field-oriented control, in order to show the genericity of the proposed approach. The validation is carried on an experimental test bench for two 5.5 kW induction motors of different efficiency standards (IE2 and IE3). The results obtained show the reduction of the losses in the motor, thus an improvement of the overall efficiency while preserving a satisfactory dynamic behavior. Consequently, the optimization of the energy efficiency is validated for the two control structures and for the two studied motors. In addition to the validation of the simulation results, the proposed approach is compared to existing methods to assess its effectiveness

  • Alternative Title

    Amélioration de l'efficacité énergétique de la machine asynchrone à cage par action sur la commande


  • Abstract

    L’optimisation de l’efficacité énergétique des machines électriques constitue un domaine de recherche bien développé et fait partie des objectifs de plusieurs accords internationaux comme le projet Energie-Climat de la Commission Européenne visant l’amélioration de 20% d’efficacité pour 2020, encore étendu pour 2030 avec des objectifs plus importants. Ainsi, cette thèse propose un procédé d’optimisation du rendement du moteur asynchrone en agissant sur les paramètres du contrôle. Pour atteindre cet objectif, le flux dans l’entrefer est adapté selon un tableau de flux optimal calculé hors ligne pour tous les points de fonctionnement possibles. Ce flux est déterminé avec le plus haut degré de précision possible en se basant sur un modèle dynamique de la machine développé dans ces travaux. Ce dernier pallie le point faible du modèle dynamique classique, en prenant en compte l’effet des pertes fer. Le modèle des pertes fer utilisé est celui de Bertotti, qui les évalue en fonction de la fréquence et de l’amplitude du champ magnétique. Les pertes sont alors représentées par une résistance variable, continuellement évaluée selon le point de fonctionnement. Le tableau de flux optimal obtenu est fonction des conditions d’opération repérées dans le plan couple-vitesse. Ainsi l’étude montre que le flux peut être optimisé pour des valeurs de couple sensiblement inférieures à environ la moitié du couple nominal, ce seuil variant en fonction de la vitesse. La méthode d’optimisation proposée est simulée puis testée pour le contrôle scalaire et le contrôle vectoriel indirect par orientation de flux rotorique, afin de montrer la généricité de l’approche. La validation est conduite sur une maquette expérimentale d’une puissance de 5.5 kW et pour 2 machines asynchrones de générations différentes (IE2 et IE3). Les résultats obtenus montrent la réduction des pertes dans la machine et donc une amélioration du rendement global, tout en préservant un comportement dynamique satisfaisant. L’optimisation de l’efficacité énergétique est ainsi validée pour les deux structures de contrôle et pour les deux types de machine. Outre une comparaison avec la simulation, la solution proposée est comparée aux méthodes existantes afin d’en apprécier l’efficacité.


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