Développement de méthodes et outils pour la conception par optimisation de systèmes convertisseur+machine fortement couplé semi-résonnant : Application aux machines à réluctance variable.

par Zie Diarra

Projet de thèse en Genie electrique

Sous la direction de Laurent Gerbaud, Lauric Garbuio et de Hervé Chazal.

Thèses en préparation à l'Université Grenoble Alpes (ComUE) , dans le cadre de École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire de génie électrique (Grenoble) (laboratoire) et de Matériaux et Dispositifs Electromagnétiques Avancés (equipe de recherche) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    Depuis moins de dix ans, des systèmes de conversion de l'énergie dits « non linéaires » apparaissent et exhibent des gains substantiels, en puissance massique notamment. Deux domaines du Génie Électrique voient actuellement ces techniques se développer. La première est « l'Energy Harvesting » ou « Energy Scarvenging ». L'auto alimentation des micro et nano systèmes (>mW) est actuellement possible par la récupération des énergies ambiantes dites « perdues » qui nous entourent (vibrations, changement de température,…) et par l'emploi de matériaux dits « intelligents » comme les matériaux piézoélectriques, pyroélectriques, magnétostrictifs,... La réduction des consommations étant une voie d'amélioration, l'autre est de maximiser la capacité de conversion des générateurs (coefficient de couplage) par un traitement énergétique non linéaire spécifique. Cette technique se base sur un principe de pré-polarisation électrique des matériaux, ce qui permet d'augmenter le cycle de travail du dispositif et donc d'augmenter à volume actif constant la quantité d'énergie récupérable. Plus récemment et à un niveau de puissance plus élevé (~ qq kW), une équipe du Tokyo Institute of Technology au Japon a développé une technique appelée « MERS » (Magnetic Energy Recovery System) basée sur l'utilisation d'une capacité associée à une électronique de puissance. Représentable globalement comme une capacité électroniquement ajustable, elle permet de redresser le facteur de puissance mais aussi de compenser les termes inductifs des dispositifs électromagnétiques (inductance magnétisante des transformateurs et inductance synchrone des moteurs). Depuis dix ans, cette équipe a appliqué expérimentalement sa technique à différents dispositifs électrotechniques existants. Les résultats affichés sont particulièrement intéressant avec par exemple des gains de capacité de production de 100% pour des éoliennes à aimants. Cependant l'impact sur la machine n'a pas été étudié. Cette technique a été également reprise par le NTNU (Norwegian University of Science and Technology, Norvége) pour évaluer ses « bienfaits » sur les fermes éoliennes dans son aspect « Smart Grid » (reprise des creux de tension, stabilité des tensions,…). Très récemment, une coopération avec les services de la marine américaine a été engagée. Le travail de cette thèse concerne le dimensionnement de chaînes de conversion électromécanique non linéaires qui se décline sur les axes que sont l'architecture du convertisseur d'électronique de puissance et la conception de la machine et la stratégie de contrôle-commande. Il s'agit de concevoir spécifiquement pour ces systèmes non-linéaires des associations convertisseurs-machines innovantes et d'en évaluer les apports vis-à-vis de technologies traditionnelles. Pour ces systèmes la recherche de nouvelles stratégies de contrôle-commande constitue un second axe de recherche. L'innovation attendue porte sur l'amélioration des gains associés au pilotage du système non-linéaire et sur l'implémentation facilitée dans les systèmes électrotechniques appliqués (véhicules électriques, générateurs éoliens et hydroliens, …) Le but de cette thèse est double : • Comprendre et évaluer les différentes techniques non-linéaires existantes sur les divers domaines explorés dans la bibliographie et d'en dresser un comparatif Coût/Performances. A la suite de cette comparaison, les gains directs et indirects seront exposés et les « zones d'ombre » sur leur complète utilisation identifiées. • Proposer et Faire le dimensionnement par optimisation de l'ensemble convertisseur- machine en prenant en compte les apports et les spécificités de ces techniques non-linéaires. Ce travail rejoint les avancées récentes dans l'utilisation de ces techniques et prend le pari d'innover par le biais d'architectures convertisseur et machine inédites.

  • Titre traduit

    Development of methods and tools for the optimization design of strongly coupled semi-resonant converter+machine systems : Application to reluctance machines .


  • Résumé

    For less than ten years, so-called "non-linear" energy conversion systems have been appearing and exhibiting substantial gains, particularly in terms of specific power. Two fields of Electrical Engineering are currently seeing these techniques develop. The first is "Energy Harvesting" or "Energy Scarvenging". The self-feeding of micro and nano systems (> mW) is currently possible by recovering the so-called "lost" ambient energies that surround us (vibrations, temperature changes, ...) and by the use of so-called "intelligent" materials such as piezoelectric, pyroelectric, magnetostrictive materials, etc. The reduction of consumption is a way of improvement, the other is to maximize the conversion capacity of the generators (coupling coefficient) by a specific nonlinear energy treatment. This technique is based on a principle of electrical pre-polarization of materials, which allows to increase the operating cycle of the device and therefore to increase the amount of recoverable energy to constant active volume. More recently, and at a higher power level (~ kW), a team from the Tokyo Institute of Technology in Japan has developed a technique called "MERS" (Magnetic Energy Recovery System) based on the use of a capacity associated with a power electronics. Globally representative as an electronically adjustable capacitance, it allows to recover the power factor but also to compensate for the inductive terms of the electromagnetic devices (magnetising inductance of the transformers and synchronous inductance of the motors). For ten years, this team has experimentally applied its technique to various existing electrotechnical devices. The results displayed are particularly interesting with, for example, 100% production capacity gains for magnet wind turbines. However the impact on the machine has not been studied. This technique was also taken up by NTNU (Norwegian University of Science and Technology, Norway) to evaluate its "benefits" on wind farms in its aspect "Smart Grid" (recovery of voltage dips, stability of tensions, ...). Very recently, cooperation with the US Navy has been initiated. The work of this thesis concerns the dimensioning of non-linear electromechanical conversion chains which is declined on the axes that are the architecture of the power electronics converter and the design of the machine and the control-command strategy. The aim is to design specifically for these NL systems innovative converter-machine combinations and evaluate their contribution to traditional technologies. For these systems the search for new control-command strategies is a second line of research. The expected innovation concerns the improvement of the gains associated with the management of the NL system and the easier implementation in applied electrotechnical systems (electric vehicles, wind and tidal generators, etc.). The purpose of this thesis is twofold: • Understand and evaluate the different NL techniques available on the various fields explored in the bibliography and draw up a comparative Cost / Performance. As a result of this comparison, the direct and indirect gains will be exposed and the "gray areas" on their full use identified. • Propose and dimension optimization of the converter-machine unit taking into account the contributions and specificities of these NL techniques. This work joins recent advances in the use of these techniques and takes the gamble to innovate through new converter and machine architectures.