Optimisation des filtres CEM amont et aval pour unredresseur PFC triphasé

International audienceDans le cadre de l'électrification croissante des avions, les efforts pour diminuer le poids des systèmes électriques sont nombreux. La masse des filtres CEM étant de plus de 30 % de celle d'un convertisseur, des dimensionnement optimaux sont recherchés. Or l'approche classique par mesure sans filtre / calcul du filtre nécessaire n'est pas optimale et s'avère même non applicable au cas présenté d'un PFC triphasé. C'est pourquoi une méthode analytique par l'approche source de perturbation / chemin de propagation couplée à des modèles technologiques d'inductance a été mise en place pour dimensionner et estimer la masse des filtres CEM. A l'aide d'une routine d'optimisation, des designs optimaux peuvent ainsi être calculés. De plus, ils sont issus de modèles qui prennent plus en compte la réalité, que l'approche classique

Taking into account EMC in a pre-design methodology using deterministic optimization for power electronics : application to a three-phase rectifier for aeronautics

Ce travail s’inscrit dans l’optique de prédimensionnement par optimisation déterministe en électronique de puissance. Nous nous focalisons principalement sur la problématique de la Compatibilité ElectroMagnétique que nous désirons inclure dans la démarche. Pour cela, nous considérons l’exemple d’un redresseur triphasé comportant des filtres CEM à la fois du côté triphasé et du côté continu. Un couplage de mode commun a lieu entre les deux filtres, ils doivent donc être conçus simultanément. Des modéles de dimensionnement du convertisseur et de ses différents composants (passifs, interrupteurs, refroidisseur) ont été élaborés. Dans la procédure d’optimisation, l’ensemble des variables de cette modélisation globale du convertisseur (valeur des éléments fonctionnels, stratégie de commande MLI et fréquence de découpage) impacte les émissions CEM conduites. Ainsi, le modèle de calcul CEM est intégré dans le déroulement du processus, qui vise à minimiser la masse du convertisseur. Grâce à cela nous obtenons une approche globale où les filtres CEM sont dimensionnés en parallèle avec le convertisseur, et non une fois que la conception de ce dernier soit terminée, comme c’est classiquement le cas.La variation de la fréquence de découpage durant l’optimisation a constitué le problème majeur. Nous avons dû développer des stratégies concernant la surveillance des spectres CEM pour arriver à diminuer drastiquement les temps de calcul. Nous avons aussi développé une formulation de la contrainte CEM et une stratégie de lancement automatique d’optimisations déterministes avec paramétrage initial aléatoire qui a permis aux dimensionnements d’aboutir. Tout au long de la thèse, l’accent a été mis sur la généricité des modèles, qu’ils touchent à la CEM ou aux autres points du dimensionnement, en vue de leur adaptabilité à d’autres cas d’application.This thesis deals with the sizing of power electronics using deterministic optimization. In this way, methods to integrate the ElectroMagnetic Compatibility constraints in such process were studied. The case of a three-phase rectifier with EMC filters on both AC and DC sides was considered. A common-mode path creates an interaction between the two filters, thus they have to be sized together. Models of the converter and its components were developed for their sizing by deterministic optimizations. In such conception problem, all the parameters used for describing the system configuration (functional elements values, PWM command strategy and the switching frequency) influence the conducted EMC emissions. Therefore, the modeling of the EMC constraints was integrated in the optimization procedure, which aims the overall weight reduction. Thanks to that, a global approach where EMC filters are sized along with the converter was achieved, whereas it is usually done after the converter conception.The main challenge was the variation of the switching frequency in optimization. Strategies were developed regarding the automatic surveillance of the EMC spectrums in order to drastically reduce their computation times. An innovative formulation of the EMC constraints enabled the optimizations to converge. An automatic procedure for launching multiple deterministic optimizations with random initial parameters allowed us to obtain good optimization results, regarding the constraints and the global weight of the system. In this work, genericity of the modelling approach was a main concern, regarding EMC and the different sizing models. Therefore, the adaptation of the developed methods to other applications should be convenient

Prise en compte de la CEM dans une méthodologie de pré-dimensionnement par optimisation déterministe en électronique de puissance : application à un redresseur triphasé aéronautique

This thesis deals with the sizing of power electronics using deterministic optimization. In this way, methods to integrate the ElectroMagnetic Compatibility constraints in such process were studied. The case of a three-phase rectifier with EMC filters on both AC and DC sides was considered. A common-mode path creates an interaction between the two filters, thus they have to be sized together. Models of the converter and its components were developed for their sizing by deterministic optimizations. In such conception problem, all the parameters used for describing the system configuration (functional elements values, PWM command strategy and the switching frequency) influence the conducted EMC emissions. Therefore, the modeling of the EMC constraints was integrated in the optimization procedure, which aims the overall weight reduction. Thanks to that, a global approach where EMC filters are sized along with the converter was achieved, whereas it is usually done after the converter conception.The main challenge was the variation of the switching frequency in optimization. Strategies were developed regarding the automatic surveillance of the EMC spectrums in order to drastically reduce their computation times. An innovative formulation of the EMC constraints enabled the optimizations to converge. An automatic procedure for launching multiple deterministic optimizations with random initial parameters allowed us to obtain good optimization results, regarding the constraints and the global weight of the system. In this work, genericity of the modelling approach was a main concern, regarding EMC and the different sizing models. Therefore, the adaptation of the developed methods to other applications should be convenient.Ce travail s’inscrit dans l’optique de prédimensionnement par optimisation déterministe en électronique de puissance. Nous nous focalisons principalement sur la problématique de la Compatibilité ElectroMagnétique que nous désirons inclure dans la démarche. Pour cela, nous considérons l’exemple d’un redresseur triphasé comportant des filtres CEM à la fois du côté triphasé et du côté continu. Un couplage de mode commun a lieu entre les deux filtres, ils doivent donc être conçus simultanément. Des modéles de dimensionnement du convertisseur et de ses différents composants (passifs, interrupteurs, refroidisseur) ont été élaborés. Dans la procédure d’optimisation, l’ensemble des variables de cette modélisation globale du convertisseur (valeur des éléments fonctionnels, stratégie de commande MLI et fréquence de découpage) impacte les émissions CEM conduites. Ainsi, le modèle de calcul CEM est intégré dans le déroulement du processus, qui vise à minimiser la masse du convertisseur. Grâce à cela nous obtenons une approche globale où les filtres CEM sont dimensionnés en parallèle avec le convertisseur, et non une fois que la conception de ce dernier soit terminée, comme c’est classiquement le cas.La variation de la fréquence de découpage durant l’optimisation a constitué le problème majeur. Nous avons dû développer des stratégies concernant la surveillance des spectres CEM pour arriver à diminuer drastiquement les temps de calcul. Nous avons aussi développé une formulation de la contrainte CEM et une stratégie de lancement automatique d’optimisations déterministes avec paramétrage initial aléatoire qui a permis aux dimensionnements d’aboutir. Tout au long de la thèse, l’accent a été mis sur la généricité des modèles, qu’ils touchent à la CEM ou aux autres points du dimensionnement, en vue de leur adaptabilité à d’autres cas d’application

DESIGN BY OPTIMIZATION OF CONTROLLED CONVERTERS WITH EMC FILTERS FOR AEROSPACE

International audienc

Design by optimization of controlled static converters with EMC filters in aeronautics

WOS:000432182900005International audienc

SELECTIVITY IN FREQUENCY MODELLING OF ELECTRICAL CIRCUIT FOR THE SIZING BY OPTIMIZATION OF EMC FILTER FOR POWER ELECTRONICS

International audienceThe paper deals with the frequency modelling of EMC phenomena using equivalent circuit (with frequency perturbation sources for the modelling of the switching cells of the static converters) in the context of the sizing by optimization of EMC filters. The paper focusses on the way to obtained automatically a frequency model, including the exact computation of its jacobian, useful in the context of design by deterministic gradient optimization. It mainly focuses on selectivity (optimization contextualization) in the modelling with its interests compared to a generic modelling (without knowing with variables will be constrained in the optimization process). The approach is applied to the optimization of EMC filter for power electronics aircraft context

Multiphysical approach including equivalent circuit models for the sizing by optimization

Purpose Multiphysical models are often useful for the design of electrical devices such as electrical machines. In this way, the modeling of thermal, magnetic and electrical phenomena by using an equivalent circuit approach is often used in sizing problems. The coupling of such models with other models is difficult to take into account, partly because it adds complexity to the process. The paper proposes an automatic modelling of thermal and magnetic aspects from an equivalent circuit approach, with its computation of gradients, using selectivity on the variables. Then, it discusses the coupling of various physical models, for the sizing by optimization algorithms. Sensibility analyses are discussed and the multiphysical approach is applied on a permanent magnet synchronous machine. Design/methodology/approach The paper allows one to describe thermal and magnetic models by equivalent circuits. Magnetic aspects are represented by reluctance networks and thermal aspects by thermal equivalent circuits. From circuit modelling and analytical equations, models are generated, coupled and translated into computational codes (Java, C), including the computation of their jacobians. To do so, model generators are used: CADES, Reluctool, Thermotool. The paper illustrates the modelling and automatic programming aspects with Thermotool. The generated codes are directly available for optimization algorithms. Then, the formulation of the coupling with other models is studied in the case of a multiphysical sizing by optimization of the Toyota PRIUS electrical motor. Findings A main specificity of the approach is the ability to easily deal with the selectivity of the inputs and outputs of the generated model according to the problem specifications, thus reducing drastically the size of the jacobian matrix and the computational complexity. Another specificity is the coupling of the models using analytical equations, possibly implicit equations. Research limitations/implications At the present time, the multiphysical modeling is considered only for static phenomena. However, this limit is not important for numerous sizing applications. Originality/value The analytical approach with the selectivity gives fast models, well-adapted for optimization. The use of model generators allows robust programming of the models and their jacobians. The automatic calculation of the gradients allows the use of determinist algorithms, such as SQP, well adapted to deal with numerous constraints. </jats:sec

AUTOMATIC THERMAL MODEL GENERATOR FOR MULTIPHYSICS SIZING OPTIMIZATION

International audienc

DESIGN BY OPTIMIZATION OF A THREE PHASES AFE UNDER EMCCONSTRAINTS

International audienceThis paper compares a step by step design of a power electronicsconverter with the results obtained using a design by optimization technique, solvingall equations together. “Order one” method is privileged, in order to facilitateseeking a design optimum in a very constrained space of solutions (especially due toElectromagnetic Compatibility). Specific derivable models for each constraint andcomponent design have been used. Difficulties of these derivable formulations areunderlined, as well as the effectiveness of the method in comparison with theconventional step by step approach, especially regarding EMC