Contribution à l'étude de machines électriques polyphasées à aimants permanents en vue d'une meilleur gestion de la commande en modes dégradés pour des applications liées aux énergies renouvelables marines.

Study of multiphase electricals permanent magnet machines for a bestmanagement of control in faults modes for marine renewable energy systems

• Auteur / Autrice : Ousmane Fall
• Direction : Jean-Frédéric Charpentier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 12/01/2017
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche de l'Ecole navale (Brest) - Laboratoire d’Électrotechnique et d’Électronique de Puissance - EA 2697
• Jury : Président / Présidente : Noureddine Takorabet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Frédéric Charpentier, Mohamed Benbouzid, Ngac Ky Nguyen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mohamed Fouad Benkhoris, Carole Hénaux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergies renouvelables

Machines électriques

Mots clés libres

Machine électrique

Commande

Mode dégradé

Electrical machine

Control

Fault tolerant

Résumé

L’objectif de cette thèse est d’étudier des machines électriques à aimants permanents polyphasées et leur commande pouvant fonctionner en modes dégradés sur une large plage de vitesse dans le cadre d’une application de génération d’énergie hydrolienne. Ceci se justifie par le fait que, pour les applications liées à l’extraction d’énergie marine, les installations ne sont pas facilement accessibles pour des opérations de maintenance. Ainsi, des stratégies de commande ont été élaborées, pour des MSAP pentaphasées et à 2X3 phases, en mode sain et en modes dégradés, sur une large plage de vitesse avec un mode de défluxage. Une étude comparative a été faite sur le comportement en vitesse variable, en mode sain et en modes dégradés d’un certain nombre de MSAP à bobinage concentré autour des dents. Cette étude s’appuie sur un modèle analytique, qui estime à partir d’un cahier des charges et de la combinaison encoche/pôle, les inductances et les Forces électromotrices. Cet outil a permis également d’effectuer une première évaluation qualitative les phénomènes perturbateurs internes à la machine (Pertes dans les aimants et répartition des forces radiales) vis-à-vis de ces stratégies de commande. Enfin l’énergie extraite sur une durée significative en mode sain et en modes dégradés pour une turbine à pas fixe associée à plusieurs types de génératrices polyphasées a été quantifiée sur un site hydrolien typique (Raz de Sein).

The aim of this thesis is to study multiphase permanent magnet electrical synchronous machines (PMSM) and associated control strategies for tidal energy harnessing. These systems must be able to operate in fault mode in a wide range of speed. Indeed, for marine energy extraction applications, it is difficult to access to the site for maintenance operations. Specific control strategies in healthy and faults modes have been proposed, for 5 phases and 2X3 phases PMSM in a wide range of speed including flux weakening operations. A comparative study has also been done by evaluating the torque speed characteristics of several PMSM with fractional slot concentrated winding. This study is based on an analytical model which allows evaluating inductance values and EMF waveforms, from the knowledge of slot/pole combination of the machine windings. This analytical model allows evaluating qualitatively the impact of the control strategies on magnet losses and radial forces. Finally a practical case of tidal current energy extraction has been studied by quantifying extracted energy, in healthy and in faults modes for several multiphase electrical generators associated with a fixed pitch turbine in a typical tidal site.