Modélisation et Optimisation d'un Générateur Synchrone à Double Excitation de Forte Puissance

par Aymen Ammar

Thèse de doctorat en Génie Electrique

Sous la direction de Pascal Brochet et de Frédéric Gillon.

Soutenue le 28-06-2013

à l'Ecole centrale de Lille , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille) , en partenariat avec Laboratoire d'électrotechnique et d'électronique de puissance (L2EP) (laboratoire) .

Le président du jury était Abdelmounaïm Tounzi.

Le jury était composé de Lionel Vido, Daniel Laloy.

Les rapporteurs étaient Noureddine Takorabet, Hamid Ben Ahmed.

mots clés

• Générateur Synchrone
• Double Excitation
• Modélisation
• Optimisation
• Dimensionnement
• Prototype
• Générateur Eolien
• Générateurs électriques
• Machines synchrones
• Alternateurs -- Modèles mathématiques
• Modèles mathématiques
• Centrales éoliennes
• Prototypes
• Optimisation mathématique

Résumé

Alliant flexibilité de contrôle et bon rendement, les Machines Synchrone à Double Excitation (MSDE) sont de plus en plus investiguées pour diverses applications de petites et moyennes puissances et rarement pour des applications de fortes puissances. Cette thèse a pour objectif l’étude d’un Générateur Synchrone à Double Excitation (GSDE) de forte puissance. Un modèle de comportement a été établi. Des méthodes analytiques et semi-analytiques ont été utilisées pour la modélisation multi-physique de la machine. Ce modèle a été validé, dans un premier temps, par comparaison aux résultats d’un modèle éléments finis.Comparé à un Générateur Synchrone à Pôles Saillants (GSPS), le GSDE offre des solutions plus intéressantes énergétiquement et économiquement, que ce soit en fonctionnement à vitesse constante ou à vitesse variable. Dans le cadre d’un fonctionnement en générateur éolien, l’augmentation du nombre d’encoche par pôle et par phase et l’augmentation de la fréquence d’alimentation contribuent à l’amélioration des performances de la GSDE. Cependant il faudrait tenir compte des impacts sur l’électronique de puissance et le multiplicateur mécanique. En plus, la distribution de Weibull et le bon choix de la plage utile de variation de la vitesse du vent, jouent un rôle important sur le dimensionnement optimal du générateur éolien.Un prototype de GSDE d’une puissance d’1MVA a été dimensionné, optimisé et fabriqué. Tout d’abord, le prototype a servi à la validation du modèle multi-physique. En plus la réalisation des essais sur deux étapes (avant et après le collage des aimants permanents) a montré l’apport énergétique du GSDE par rapport au GSPS

mots clés

• Hybrid Excitation
• Generator
• Modeling
• Optimization
• Design
• Prototype
• Wind Turbine

Titre traduit

Modeling and Optimization of a large Hybrid Excitation Synchronous Generator

Résumé

The use of Hybrid Excitation Synchronous Machine (HESM) can widely be extended to any size of power applications in regards to its high efficiency and simplicity of flux control. The aim of this thesis consists to analyze different design constraints and develop optimization processes of a Hybrid Excitation Synchronous Generator (HESG).Analytical and lumped models were used with reasonable level of accuracy and minimum computation time. The model has been validated by comparing the result to those achieved by FEM.The study shows the technical and economical advantages of the use of HESG compare to the conventional Salient Pole Synchronous Generator (SPSG). The comparison between the two generator topologies was considered for constant and variable speed applications such as wind energy. The influence of several parameters such as frequency and the number of slot per pole and per phase was investigated. For the case of wind energy application the study shows the importance of Weibull distribution and the speed range when looking for the optimized generator.In order to validate the multi-physics model, a 1MVA HESG was considered and a prototype produced. To highlight the advantages and performances of HESG generator a test program was carried out into steps. A first set of tests have been made before bounding the permanent magnets and the second set of tests have been made after bounding the permanent magnets