Contribution à l'étude de systèmes d'un conversion d'énergie non linéaire et de leur impact sur le (re)dimensionnement des machines électriques

par Simon Morel

Thèse de doctorat en Genie electrique

Sous la direction de Nouredine Hadjsaid et de Lauric Garbuio.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de Electronique, Electrotechnique, Automatique, Traitement du Signal (EEATS) , en partenariat avec Laboratoire de Génie Electrique (laboratoire) .


  • Résumé

    Dans un contexte d'électrification massive de nos modes de vie (Transports, Industrie, activités tertiaires), des structures de conversion d'énergie toujours plus performantes ( en terme de sobriété, d'efficacité ou ayant un moindre impact sur l'environnement) sont recherchées. Limitées par l'accès et l'utilisation de matériaux rares ou polluants mais également par leurs coûts de mise en œuvre, nos technologies ont été constamment améliorées et optimisées depuis un siècle mais atteignent aujourd'hui une asymptote. De nouvelles technologies en rupture présentent un moyen de faire des bonds significatifs dans cette évolution mais demandent à être découvertes, analysées, modélisées, vérifiées et mises en valeur par les laboratoires de recherche pour être intégrées par le monde industriel. Cette thèse porte sur l'étude, la modélisation et le dimensionnement d'un système innovant et original associant une électronique de puissance non-linéaire et une machine électrique. Cette technologie, encore très peu étudiée aujourd'hui, offre de nouveaux degrés de liberté dans la conception de la chaine de conversion électromécanique pour la génération d'électricité ou la motorisation par exemple. Ce travail ambitionne donc de proposer une lecture claire du fonctionnement non linéaire de la chaine de conversion proposée et d'en comprendre les bénéfices mais aussi les limites et les coûts. Par non-linéaire, on entend ici que ces systèmes sont capables de modifier la topologie profonde ou fondamentale du circuit ou système dans lequel ils sont mis en œuvre et sont capables d'agir sur la dynamique des tensions et courants. Ils peuvent ainsi agir sur la gestion de l'énergie réactive, le facteur de puissance mais aussi sur les niveaux de tensions et courants et par extension de la puissance active et d'en garantir le contrôle. Le travail synthétisé dans ce manuscrit permet dans un premier temps de recenser les rares exemples adoptant cette philosophie et d'en jeter les bases, permettant à différentes topologies inédites d'y être identifiées. Dans un second volet, une méthodologie de modélisation en phase d'esquisse du système entier est présentée et testée permettant de mener des simulations et des dimensionnements. Fort de cette méthode, un troisième volet conceptuel porte sur son application aux machines électriques et démontre les nouveaux compromis et nouvelles performances possibles, comme l'augmentation sensible des performances mécaniques ou la réduction du volume d'aimant nécessaire. Enfin, un dernier volet expérimental permet de vérifier en pratique les différents résultats théoriques grâce à la mise en place d'un banc d'essai à échelle industrielle.

  • Titre traduit

    Contribution at a non linear energy conversion system study and the impact on the electrical machine design.


  • Résumé

    In the context of massive electrification of our lifestyle (Transports, Industry, Tertiary activities), power conversion systems which are always more effective are needed especially in terms of efficiency and limited environmental impact. Electrical technologies have been constantly improved for a century. However, today, electrical systems performance are reaching a limit because of the physical limitation of materials capability. Moreover, the most advanced materials or system are often hard to extract making powerful system difficult to produce and thus expensive but also often polluting. New technological innovations are a good way to improve significantly effectiveness but still need to be discovered, analysed, designed and tested in laboratory before being integrated in the industrial world. The subject of this thesis is about the design of an innovative and original system which consists in a non-linear power electronic system linked with an electrical machine. This technology gives new liberty degrees to design electromechanical chain for power generation or electric motor drive for instance. The goal of this work is to understand the system operation and to determine its advantages but also its drawbacks and costs. In this case, “non-linear” means, these systems can deeply change the topology of the electrical circuit it is involved in, which allows an action on both the voltage and the current dynamics. In this way, these systems can adapt the reactive power and the power factor, but also control the voltage and current level and thus the active power. This thesis manuscript first introduces few examples of system wich adopt globally this philosophy, before derscribing a theory allowing new topologies to be invented. Afterwards, a methodology to establish a preliminary design model is introduced and tested. Then, the performances of the system on electrical machine and the impact on it are shown, like the reduction of hard magnetic material for example. Finally, a last part introduces an experimental bench used to validate the theoretical results of the previous parts.