Optimisation du dimensionnement et de la commande par cycle de fonctionnement d'un générateur à aimants permanents et à auto-commutation pour appications micro-éoliennes

Brushless DC permanent magnet micro-wind generator modeling and optimization over long-term wind-speed cycle operation

• Auteur / Autrice : Andreea-Adriana Laczko
• Direction : Stéphane Brisset, Mircea M. Radulescu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 14/12/2016
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Lille en cotutelle avec Universitatea tehnică (Cluj-Napoca, Roumanie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électrotechnique et d'électronique de puissance (L2EP) - Laboratoire d'électrotechnique et d'électronique de puissance (L2EP)
• Jury : Président / Présidente : Radu Munteanu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Gillon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mohamed Khémis Gabsi, Maria Imecs

Mots clés

Mots clés contrôlés

Processus éoliens

Conversion énergétique

Moteurs électriques

Moteurs à aimants permanents

Optimisation mathématique

Modèles mathématiques

Mots clés libres

Modèles mathématiques

Optimisation mathématique

Moteurs à aimants permanents

Moteurs électriques

Conversion énergétique

Processus éoliens

Marhematical models

Mathematical optimisation

Permanent magnet machine

Electric machines

Energy conversion

Wind power

Résumé

La conception d'un microsystème de conversion d'énergie éolienne représente le cœur de cette étude. L'attention est dérivée vers le générateur sans balais à aimant permanent et auto-commutation, avec la configuration de rotor externe et des tensions électromotrices de forme trapézoïdale. L'objectif global de la thèse est représentée par la tentative de déterminer les paramètres optimaux de conception géométriques et électriques du générateur qui donne les plus faibles pertes totales dans le système, en fonctionnant sous un cycle du vent à long terme et ainsi en augmentant l'efficacité globale du système. En avance à l'optimisation, un modèle de simulation adapté doit être développé en termes de précision des résultats et du temps de simulation. Cela se fait dans la première partie de la thèse en déterminant le niveau de modélisation, ainsi que les variables de conception de chacun des composants du système. Comme l'optimisation fait appel à un algorithme pour le processus de conception, la réduction du temps de simulation a été étudiée dans la troisième et la quatrième partie de la thèse, en développant une méthode appropriée qui permet l'intégration et l'exploitation des données provenant du profil de vitesse du vent lors la détermination de la totalité des pertes de puissance du système. Par la suite, la méthode d'optimisation est présentée, même les résultats optimaux obtenus, ainsi que la comparaison de plusieurs paramètres d'entrée / sortie. Enfin, des essais expérimentaux sont également effectués sur un générateur de référence afin de vérifier la technique de commutation et de contrôle électronique.

The design of a micro-wind energy conversion system represents the core of this study. The attention is derived towards the brushless DC permanent magnet generator with outer rotor configuration and trapezoidal induced back-EMF voltages. The global aim of the thesis is represented by the attempt of determining the optimal geometrical and electrical design parameters of the BLDCPM generator that give the minimum total power losses in the system, over long-term wind speed cycle operation and thereby increasing the efficiency of the overall system. In advance to the optimization, an adapted simulation model needs to be developed in terms of results accuracy and simulation time. This is done in the first part of the thesis by determining the modeling level, as well as the design variables of each component of the system. As the optimization appeals to an algorithm for the design process, the reduction of the simulation time has been investigated in the third and fourth part of the thesis by developing a suitable method that allows the integration and exploitation of the available data from the wind-speed profile when determining the totality of the power losses in the system. Afterwards, the optimization methodology is presented along with the optimum results obtained, as well as comparison of several input/output parameters. Finally, experimental tests are also carried out on a reference BLDCPM machine prototype in order to verify its electronic commutation and control technique