Modélisation, conception et optimisation des machines à reluctance à double alimentation sans balais

Modelagem, projeto e otimização de máquinas de relutância duplamente alimentadas sem escovas

Brushless doubly-fed reluctance machine modeling, design and optimization

• Auteur / Autrice : Tiago Staudt
• Direction : Frédéric Wurtz, Nelson Jhoe Batistela
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 16/06/2015
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE) en cotutelle avec Universidade federal de Santa Catarina (Brésil)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble) - Federal University of Santa Catarina - UFSC (BRAZIL) / GRUCAD - Universidade federal de Santa Catarina (Brésil)
• Jury : Président / Présidente : Renato Carlson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xavier Brunotte, Ivan Chabu, Laurent Krähenbühl
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Georges Barakat, Silvio Ikuyo Nabeta

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électromagnétisme

Énergie éolienne

Machines à réluctance

Mots clés libres

Modélisation électromagnétique

Machines sans balais

Machines à reluctance

Modélisation analytique

Optimisation

Énergie éolienne

Modelagem eletromagnética

Máquinas sem escovas

Máquinas de relut ância

Modelagem analítica

Otimização de projetos

Energia eólica

Electromagnetic modeling

Brushless machines

Reluctance machines

Analytical modeling

Design optimization

Wind energy

Résumé

Cette thèse traite de la modélisation, conception, optimisation ainsi que de la validation expérimentale d'une machine à reluctance variable à double alimentation (BDFRM-Brushless Doubly-Fed Reluctance Machine) destinée aux éoliennes. La BDFRM est notamment considérée comme une alternative viable à la Machine Asynchrone à Double Alimentation (MASDA) dans les systèmes éoliens à vitesse variable. Elle maintient les avantages de coût de la MASDA tout en permettant l'utilisation d'un convertisseur de puissance réduit ainsi que la diminution des coûts d'entretien en raison de son fonctionnement sans balais. Une revue de la littérature fait apparaitre un manque de recherches concernant la définition de procédures de conception pour rendre cette machine plus populaire en général, et dans l'éolien en particulier. L'objectif principal de cette thèse est de contribuer à la maîtrise du processus de conception optimale de la BDFRM en proposant une approche méthodologique basée sur différents niveaux de modélisation et sur l'optimisation. Elle examine comment l'optimisation pourrait être appliquée à toutes les étapes de développement avec des objectifs distincts à évaluer. Plus précisément, elle se focalise sur la définition du problème d'optimisation sous contraintes et sur sa solution itérative en utilisant un algorithme déterministe couplé à des modèles semi-analytiques de différents niveaux. Les activités effectuées au cours de cette thèse peuvent être divisées en cinq parties principales. La première se réfère à l'étude de la BDFRM et de son principe de fonctionnement dans le contexte de l'énergie éolienne. La seconde partie examine les aspects de modélisation électromagnétique de la BDFRM en utilisant différentes approches. Deux modèles orientés pour l'optimisation ont été développés: le Modèle Semi-Analytique (SAM-Semi Analytical Model ) et le modèle multistatique de réseau de reluctances (MSRN-Multi-Static Reluctance Network). La mise en œuvre des modèles axés sur l'optimisation déterministe et leurs vérifications par des simulations utilisant la méthode des éléments finis (MEF) constituent la troisième partie. Il est possible de conclure qu'à partir des résultats de simulation que le SAM a un niveau de précision limité et qu'il est alors recommandé de l'utiliser dans les étapes de prédimensionnement, où le concepteur est plus intéressé par l'acquisition de résultats avec des temps de calcul rapides que par l'obtention d'une plus grande précision. Le MSRN, au contraire, présente des résultats d'une précision remarquable par rapport à la MEF, ce qui donne un compromis très intéressant entre précision et temps de calcul. Cette thèse a permis aussi de spécifier et réaliser un prototype de BDFRM en utilisant une approche d'optimisation présenté en quatrième partie. Ensuite, les données expérimentales obtenues à partir du prototype ont été confrontées aux résultats de la simulation pour valider les modèles, mettant l'accent sur le processus de modulation de flux par le rotor à réluctance, en particulier l'inductance mutuelle entre les enroulements. Bien que les résultats soient dans un sens satisfaisant pour la validation des modèles, il y a des différences qui ont exigés un examen plus approfondie. Une discussion sur les hypothèses les plus probables a donc été effectuée, celle-ci a souligné le rôle important du processus de fabrication de la machine sur ses performances. La cinquième partie explore à travers une étude de cas l'utilisation de la procédure de conception de la BDFRM proposée dans cette thèse pour les éoliennes. En conclusion générale, on peut affirmer que la BDFRM est potentiellement une bonne candidate pour être utilisée dans les systèmes éoliens. Toutefois, les aspects techniques et économiques sur ce choix doivent être encore évalués, en analysant et en comparant la solution globale du système dans le même cadre de recherche avec d'autres solutions alternatives.

Esta tese aborda a modelagem, o projeto e a otimização, com validaçãoexperimental, de máquinas de relutância duplamente alimentadas sem escovas (BDFRM)para sistemas de geração de energia eólica.A BDFRM é considerada como uma alternativa viável para o gerador de indução duplamentealimentado (DFIG) em sistemas de geração de energia eólica com variação develocidade. Ela mantém as vantagens de custo da solução com o DFIG, permitindo autilização de um conversor de frequência de potência nominal reduzida, e tem a vantagemadicional de custos de manutenção mais baixos devido a sua operação sem escovas. Umarevisão da literatura evidencia que ainda há uma necessidade de pesquisas na área parade_nir um procedimento de projeto desta máquina para torná-la amplamente utilizada emaplicações em geral e, em particular, para geração eólica.O objetivo principal desta tese é de contribuir para o domínio de técnicas de projetootimizado para a BDFRM através da proposição de uma metodologia baseada em diferentesníveis de modelagem e em otimização. Discute-se como técnicas de otimização podem seraplicadas em todas as fases de desenvolvimento com objetivos distintos. Especi_camente,a metodologia proposta se concentra na de_nição e na solução iterativa de problemas deotimização com restrições nas saídas utilizando um algoritmo determinístico acoplado amodelos semi-analíticos de diferentes níveis.As atividades realizadas durante esta tese podem ser divididas em cinco tópicos principais.O primeiro refere-se ao estudo da BDFRM e seu princípio de funcionamento no contextode geração de energia eólica. O segundo trata dos aspectos de modelagem eletromagnética da BDFRM utilizando diferentes abordagens. Dois modelos orientados à otimizaçãoforam desenvolvidos: o modelo semi-analítico (SAM) e o modelo multi-estático de redes derelutâncias (MSRN). A implementação dos modelos com foco na otimização e a veri_caçãodeles através de simulações com o método de elementos _nitos (FEA) são consideradas aterceira parte. Pode-se concluir, a partir dos resultados de simulação, que o SAM tem umaprecisão limitada e é recomendado para ser utilizado em estágios iniciais de projeto, emque o projetista está mais interessado em cálculos rápidos para testar diversas variações deprojeto do que na obtenção de resultados com a maior precisão possível. O MSRN, ao contrário, apresenta resultados precisos quando comparado aos obtidos com o FEA, resultandonum interessante custo-benefício entre precisão e tempo de cálculo. Nesta tese, fabricou-setambém um protótipo da BDFRM, o qual foi especi_cado utilizando-se otimização e osdetalhes sobre ele são introduzidos na quarta parte. Os dados experimentais obtidos com oprotótipo foram confrontados com os resultados de simulação para validação dos modelos,focando-se na investigação do processo de modulação de _uxo pelo rotor relutância, especialmentea indutância mútua entre os enrolamentos. Embora os resultados obtidos sejamsatisfatórios para validar os modelos, encontraram-se diferenças que exigiram uma investigação mais detalhada. As hipóteses mais prováveis foram investigadas e as conclusõesindicam o papel determinante do processo de fabricação no desempenho da máquina. Oquinto tópico explora através de um estudo de caso a utilização do procedimento de projetoproposto da BDFRM para aplicações de geração de energia eólica.Como conclusão geral, pode-se a_rmar que a BDFRM é potencialmente uma boa candidatapara ser utilizada em sistemas de geração de energia eólica. Contudo, aspectostécnicos e econômicos sobre essa escolha devem ainda ser avaliados, comparando-se asdiferentes topologias existentes sob o mesmo enfoque metodológico.

This thesis addresses the modeling, design and optimization with experimental validation of the Brushless Doubly-Fed Reluctance Machine (BDFRM) for wind power systems. The BDFRM is being considered as a viable alternative to the Doubly Fed Induction Machine (DFIG) in variable speed wind energy conversion systems. It keeps the cost advantages of the DFIG by allowing the use of a fractionally rated power converter and it has the advantage of reduced maintenance costs due to its brushless operation. A literature review shows that there is still a lack of researches to define a design procedure to make this machine widely used in general and in such application in particular. The main goal of this thesis is to contribute on mastering the BDFRM optimized design by proposing a methodological approach based on different modeling levels and on optimization. It discusses how optimization could be applied in all development stages with distinct objectives to be assessed. More precisely, it draws its attention on setting the optimization problem and on the iterative solution of a constrained inputs/outputs problem by using a deterministic algorithm coupled to analytical-based modeling levels. The activities performed during this thesis can be divided in five main topics. The first refers to the study of the BDFRM and its operating principles in the context of wind power. The second discusses the BDFRM electromagnetic modeling aspects using different approaches. Two optimization-oriented models have been developed: the Semi-Analytical Model (SAM) and the Multi-Static Reluctance Network model (MSRN). The implementation of the models focusing on deterministic optimization and their verification through simulations using Finite Element Analysis (FEA) are considered the third topic. It can be concluded from the simulation results that the SAM has a limited accuracy level and it is recommended to be used in early design stages, where the designer is most interested in fast computation times to test many design variation than in obtaining the results with the highest possible accuracy. The MSRN, on the contrary, presents remarkably precise results when compared to FEA, yielding a very interesting trade-off among accuracy and computation time. This thesis has also allowed to specify and realize a BDFRM prototype using an optimization approach, presented in the fourth part. Then, the experimental data obtained from the prototype has been confronted to the simulation results to validate the models, focusing on the investigation of the flux modulation process by the reluctance rotor, especially the mutual inductance among the windings. Although the results were in a sense satisfactory to validate the models, there have been differences that demanded further investigation. A discussion on the most likely hypothesis for that has been performed, indicating the significant role of the manufacturing process on machine performance. The fifth topic explores through a case study the use of the proposed BDFRM design procedure for wind power applications. As a general conclusion, it can be stated that the BDFRM is potentially a good candidate to be used in wind power systems. However, the technical and economic aspects on this choice must be still assessed, analyzing and comparing the overall system solution of distinct topologies within the same framework.