Amélioration de la sûreté de fonctionnement d’un actionneur électrique à réluctance variable

par Abdoulaye Sarr

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Demba Diallo.

Le président du jury était Mohamed Benbouzid.

Le jury était composé de Demba Diallo, Mohamed Benbouzid, Stéphane Caux, Babak Nahidmobarakeh, Guillaume Krebs, Imen Bahri.

Les rapporteurs étaient Stéphane Caux, Babak Nahidmobarakeh.


  • Résumé

    Le travail proposé dans cette thèse porte sur l’amélioration de l’efficacité énergétique et de la sûreté de fonctionnement de la Machine à Réluctance Variable (MRV). D’abord, nous avons présenté la commande de la MRV en modes moteur et générateur débitant sur bus continu. Pour le mode moteur, on cherche à réguler la vitesse de rotation et le couple, alors qu’en mode générateur, l’objectif de la commande est de maintenir constante la tension du bus malgré les fluctuations de la vitesse et de la charge. Une démarche itérative est proposée pour la maximisation du rendement global. Trois paramètres de réglage ont été choisis : L’angle d’amorçage (Ψ), l’angle de conduction (Θp) et le courant de référence des phases (Iref). L’efficacité de l’algorithme est évaluée à travers des simulations et des tests expérimentaux. Un rendement global maximal de 70% est atteint pour des vitesses et couples élevés. Ensuite, on s’est intéressé à la connexion de la Génératrice à Réluctance Variable (GRV) au réseau alternatif monophasé ou triphasé dans le cadre d’une application éolienne. La tension continue à la sortie de la GRV est convertie en une tension alternative par un convertisseur DC-AC. Le premier objectif est de maintenir la tension du bus continu à sa valeur nominale; le second est de contrôler la qualité du courant injecté dans le réseau. En monophasé, trois types de correcteur sont testés pour réguler le courant sinusoïdal (un correcteur PI, un correcteur Résonant et un correcteur Proportionnel-Résonant). En triphasé, une commande VQ dans le référentiel de Park est adoptée: La tension du bus continu est contrôlée à travers le courant id et la puissance réactive est contrôlée par le courant iq. Les résultats de simulation montrent qu’on obtient des courants quasi-sinusoïdaux avec un taux de distorsion harmonique inférieur à 1% aussi bien en monophasé qu’en triphasé. Enfin, pour améliorer la sûreté de fonctionnement de l’actionneur et réduire les coûts liés à l’utilisation de capteurs mécaniques, trois stratégies de commande sans capteur de position sont présentées. La première est basée sur la technique d’injection. La deuxième repose sur l’estimation du flux. La troisième s’appuie sur les observateurs adaptatifs. On trouve que la technique d’injection et la méthode basée sur la mesure du flux fonctionnent de façon complémentaire. La première est efficace en basses vitesses et ne dépend pas de la charge, la deuxième est performante en hautes vitesses et pour des charges élevées. L’observateur adaptatif proposé assure une convergence exponentielle de la position malgré le modèle analytique simplifié de l’inductance utilisé pour la synthèse. Son principal avantage réside dans sa robustesse aux variations paramétriques et au couple de charge qui est estimé.

  • Titre traduit

    Improvement of the functional safety of a Switch Reluctance Actuator


  • Résumé

    The work proposed here focuses on the improvement of the energy efficiency and the safety of the Switched Reluctance Machine (SRM). First, the control of the SRM in motor and generator modes is presented. In motor mode, the speed and the torque are regulated, while in generator mode, the objective is to keep constant the DC bus voltage. An iterative optimization algorithm is proposed formaximizing the global efficiency. The analysis of the electromechanical energy conversion has shown that there is an optimal combination of the control variables - turn on angle (Ψ), conduction angle (Θp) and reference current (Iref) – to maximize the efficiency. The strategy is evaluated using intensive numerical simulations and experimental validation. Thanks to the optimization, the global efficiency reaches 70% almost from half the nominal speed to the maximum speed. Then, the Switched Reluctance Generator (SRG) is used as an AC generator for a Wind Energy Conversion (WEC) application. The produced DC power is converted into AC power by means of voltage inverter and delivered to the AC grid. The first issue of the WEC control is to maintain constant the output DC voltage despite the wind speed variations and the load uncertainty. The second issue is to control the quality of the current. In single-phase AC network, three controllers are tested to regulate the AC current (PI controller, Resonant controller, Proportional-Resonant controller). In three-phase AC network, a VQ control in Park’s frame is adopted: The DC bus voltage is controlled through the direct current and the reactive power injected into the grid is controlled through the quadrature current. Simulation results show that quasi-sinusoidal currents with a harmonic distortion rate less than 1% are obtained in both cases. Finally, we address the problem of sensorless control. In fact, the control of the SRM requires that the rotor position is known. A mechanical encoder is used generally to measure the position. The elimination of this position sensor would reduce the cost and packaging requirements of the drive. Three methods to estimate the rotor position are presented. The first one named inductance-method is an active as it is based on the pulse injection technique. The second one named flux-method is a passive one as it used the current measurement. The third one is based on the state observers for the flux, position, and velocity and load torque estimation. The simulations results have shown that the inductance-based method is efficient in low speed region and the flux-based one is more efficient in high-speed region. It is also shown that, observers are exponentially convergent even when a simple analytical modelling, that neglects saturation effect, is used to design the observer.


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