Contribution à la Modélisation et à l'Optimisation de la Machine Asynchrone à Double-Alimentation pour des Centrales Hydrauliques de Pompage Turbinage.

Contribution to the Modeling and Optimization of the Double-Fed Induction Machine for Pumped-Storage Hydro Power Plant Applications.

• Auteur / Autrice : Thomas Lugand
• Direction : Gérard Meunier, Albert Foggia
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 02/12/2013
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Espanet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexander Schwery
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Mohamed Benbouzid, Yvan Lefèvre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbines hydrauliques

Pompes

Génie hydraulique

Mots clés libres

Double alimentation

Asynchrone

Forces

Pertes

Harmoniques

Vitesse variable

Double alimentation

Asynchronous

Forces

Losses

Harmonics

Variable speed

Résumé

Les centrales hydrauliques de pompage turbinage fonctionnent principalement en utilisant des alternateurs de type synchrone évoluant à vitesse fixe. Cependant, utiliser des alternateurs à vitesse variable et, en particulier, des Machines Asynchrones à Double Alimentation (MADA) apporte des avantages non négligeables: contrôle de la puissance en mode pompe, opération au point de meilleur rendement en mode turbine et plus grande stabilité en cas de perturbation. Cette thèse a pour objectifs la progression des connaissances des phénomènes électromagnétiques régissant le fonctionnement de la MADA et d’établir une démarche en vue de son optimisation. Tout d'abord, un modèle analytique reposant en partie sur la méthode des intégrales de frontière est proposé et validé par simulations éléments finis. Ce modèle analytique prend en compte plusieurs éléments tels que la saturation du circuit magnétique, les harmoniques générés par les bobinages du stator et du rotor mais également les harmoniques dus à la forme non constante de l’entrefer. Ensuite, le modèle est appliqué à l’étude de quatre sujets d'importance pour l'ingénieur électricien: calcul des harmoniques de tension statorique à vide, calcul des pertes fer, calcul des harmoniques de couple et calcul des forces radiales électromagnétiques. Enfin une procédure de dimensionnement de la MADA reposant sur l’optimisation par algorithme génétique est décrite. Cette procédure est appliquée à la transformation d'une machine synchrone existante à pôles saillants en une MADA. Deux cas sont traités: dans un premier temps seul le rotor est remplacé tandis que le stator reste le même, dans un deuxième temps la machine est entièrement redimensionnée.Mots Clés : Centrales Hydrauliques de Pompage Turbinage, Machine Asynchrone à Double Alimentation, Machine Synchrone à Pôles Saillants, Modélisation, Optimisation, Méthodes des Intégrales de Frontières.

Pumped-storage hydro power plants have been mainly working with fixed-speed synchronous motor-generators. However, using variable-speed machines and more particularly, Double-Fed Induction Machines (DFIM) brings many benefits: control of the power in pump mode, operation at the best efficiency point in turbine mode, higher stability in case of a perturbation. This work improves the knowledge of the electromagnetic behavior of the DFIM and proposes an optimization process of its design. The first part develops an analytical model standing mainly on the boundary element method and validates it using finite element simulations. This model makes it possible to consider several phenomena such as the magnetic circuit saturation, the harmonics generated by the stator and rotor windings and also the harmonics due to the doubly-slotted airgap. The second part applies the developed model to four subjects of interest for the machine designer: study of the no-load stator-voltage shape, calculation of the iron losses, electromagnetic torque harmonics and radial electromagnetic forces. Finally, the third part studies the dimensioning of the DFIM by using a genetic optimization algorithm. The process is applied to the transformation of an existing salient-pole synchronous machine into a DFIM. Two cases are treated: first, only the rotor is replaced while the stator remains unchanged and second, the machine is completely redesigned.Key words: Pumped-Storage Hydro Power Plants, Double-Fed Induction Machine, Salient-Pole Synchronous Machine, Modeling, Optimizing, Boundary-Element Method.