Machines à commutation de flux à grand nombre de phases : modèles comportementaux en mode dégradé et élaboration d’une stratégie de commande en vue de l’amélioration de la tolérance aux pannes

Flux switching machines with high phases number : behavioral models in degraded mode and development of a control strategy to improve fault tolerance

• Auteur / Autrice : Emna Ben Sedrine
• Direction : Mohamed Khémis Gabsi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique, électrotechnique, automatique
• Date : Soutenance le 28/11/2014
• Etablissement(s) : Cachan, Ecole normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pratiques (1998-2015 ; Cachan, Val-de-Marne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes et Applications des Technologies de l'Information et de l'Energie / SATIE
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohamed Boussak, Pascal Maussion, Carlos Javier Villagomez Ojeda
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Raphaël Romary, Mohamed Benbouzid

Mots clés

Mots clés contrôlés

Commande de processus

Machines électriques

Mots clés libres

Algorithmes d'optimisation

Défauts de phases

Machine pentaphasée à commutation de flux

Tolérance aux pannes

Flux switching machine

Fault tolerance

Résumé

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'étude des modèles comportementaux en mode dégradé des machines pentaphasées à commutation de flux (MCF pentaphasée). Tout d'abord, une comparaison des performances électromagnétiques de cette machine à une machine triphasée équivalente est tout d'abord effectuée. Ces performances sont calculées par la méthode des Eléments Finis (EF 2D) et validées expérimentalement. Les résultats ont montré l'apport de la machine pentaphasée avec un couple massique plus élevé, une ondulation de couple plus faible, un courant de court-circuit plus faible et sa capacité à tolérer des défauts de phases. L'étude de la tolérance aux ouvertures de phases est alors élaborée pour cette MCF pentaphasée. Le comportement de la machine en cas d'ouvertures de phases (du point de vue du couple moyen, de l'ondulation de couple, des pertes Joule et du courant dans le neutre) est présenté. Ensuite, des méthodes de reconfiguration en vue d'améliorer le fonctionnement sont proposées dont une reconfiguration minimale permettant de se retrouver avec une alimentation équivalente à celle d'une machine tétraphasée ou triphasée, un calcul analytique des courants optimaux permettant d'annuler à la fois le courant du neutre et l'ondulation du couple tout en assurant le couple moyen, et finalement une reconfiguration assurée par un algorithme génétique d'optimisation qui est un algorithme non-déterministe multi-objectifs et multi-contraintes. Diverses combinaisons des différents objectifs et contraintes sont, dans ce cadre, effectuées et les courants optimaux sont injectés dans le modèle EF 2D de la machine pour vérifier si les performances ont été améliorées. Le modèle analytique du couple pris en compte dans l'algorithme d'optimisation est alors révisé pour prendre en compte l'influence du mode dégradé. Les différentes solutions du front de Pareto sont analysées et les performances électromagnétiques sont bien améliorées. Cela est vérifié par les calculs EF 2D et suivi d'une validation expérimentale. L'influence des défauts sur les forces magnétiques radiales est également analysée. Dans une seconde partie, l'étude de la tolérance de la machine pentaphasée à commutation de flux aux défauts de courts-circuits est effectuée. Les premières étapes d'isolation des défauts de courts-circuits sont proposées. Par la suite, les courants de courts-circuits, prenant en compte l'effet reluctant de la machine, sont calculés analytiquement et leurs effets sur les performances de la machine sont analysés. Les reconfigurations sont aussi calculées par l'algorithme génétique d'optimisation et les nouvelles références des courants permettent d'améliorer le fonctionnement en mode dégradé. Tous les résultats sont validés par la méthode des EF 2D et expérimentalement. En conclusion, des comparaisons entre la tolérance aux défauts d'ouvertures et de courts-circuits de la machine pentaphasée à commutation de flux sont effectuées et ont permis de conclure quant au fonctionnement de cette machine en modes sain et dégradé avec et sans correction. Les résultats analytiques, numériques et expérimentaux ont montré la bonne efficacité de la commande proposée pour l'amélioration de la tolérance aux défauts d'ouvertures et courts-circuits de phases.

In this thesis, we are interested in the study of a five-phase flux switching permanent magnet machine (five-phase FSPM machine) behavior in healthy and faulty mode. First, a comparison of electromagnetic performances between this machine and an equivalent three-phase machine is carried out. These performances are calculated by a Finite Element (FE 2D) model and validated by experiments. Results showed the five-phase machine contribution with a higher torque density, lower torque ripples, lower short-circuit current and ability to tolerate phases faults. The study of open-circuit tolerance is then developed for this five-phase FSPM. The behavior of the machine (the average torque, torque ripples, copper losses and the current in the neutral) in the case of open-circuit on a single and two adjacent and non-adjacent phases is presented. Then reconfiguration methods to improve the operation are proposed including a minimum reconfiguration allowing to end up with a feeding equivalent to that of a three-phase or a four-phase machine, an analytical calculation of optimal currents to cancel both the neutral current and torque ripples while ensuring the average torque, and finally a reconfiguration performed by a genetic optimization algorithm which is a non-deterministic algorithm multi-objective functions and multi-constraints. In this context, various combinations of different objectives and constraints are proposed and optimal currents are injected into the 2D FE model of the machine to see if performances have been improved. The analytical model of the torque used in the optimization algorithm is then revised to take into account the influence of the degraded mode. Different solutions of Pareto front are analyzed and electromagnetic performances are improved. This is verified by FE 2D calculations and followed by experimental validation. Faults impact on the radial magnetic forces is also analyzed. In the second part of this work, the study of the five-phase FSPM machine tolerance to short-circuit faults is performed. First steps of the faults isolation are proposed. Thereafter, short-circuit currents, taking into account the reluctance machine impact, are calculated analytically and their effects on machine performances are analyzed. Reconfigurations are also calculated by the genetic algorithm optimization and new references currents improved the degraded mode operation. All results are validated by the FE 2D calculation and experimentally. In conclusion, comparisons between fault-tolerance to phases openings and short-circuits of the five-phase FSPM machine are performed. Results led to conclude regarding the operation of this machine in healthy and degraded modes with and without correction. Analytical, numerical and experimental results showed good efficiency of the proposed control to improve fault-tolerance to phases openings and short-circuits.