Conception d'un prototype de machine Ultra-Haute Température (500°C)

International audienceLe papier présente les problématiques et les solutions adoptées pour construire le premier prototype d'un moteur électrique très compact doté de bobinages inorganiques capables de travailler en permanence à une température interne de l'ordre de 500°C. L'analyse des verrous technologiques qui empêchent de faire des machines très compactes à fort gradient de température interne montre que le principal verrou technologique est lié à la nature organique du Système d'Isolation Electrique (SIE). Le prototype de machine synchrone est construit autour de bobines inorganiques rigides montées sur les dents du stator. Ces bobines, testées à 500°C sont capables de résister aux surtensions provoquées par les fronts raides des convertisseurs MLI actuels

Fault Tolerant Permanent Magnet Drives: Operating Under Open-circuit and Short-circuit Switch Faults

A series architecture providing a fault tolerant drive is proposed. The architecture includes one or two DC sources, two voltage source inverters and a PMSM. Three different operating modes are considered: normal mode, open-circuit degraded mode and short-circuit degraded mode. For each case, an adapted torque control strategy is proposed and tested. For the open phase mode, different operating criteria are considered. For short-circuit faults, two solutions are proposed. The proposed strategies are tested on an 8-pole 1 kW PM drive. They allow operating under fault conditions in real-time and their implementation is easy. The experimental results show the effectiveness of the proposed methods

Représentations Systèmes Multi-Machines (SMM) de machines polyphasées

Cet article présente le principe de décomposition de machines polyphasées en machines fictives monophasée et diphasées non couplées magnétiquement. Après la description de la méthodologie de décomposition SMM (Systèmes Multimachines Multiconvertisseurs), deux cas sont étudiés. Une machine synchrone pentaphasée, est d'abord analysée avec son modèle de machines équivalentes. Un second cas plus original est ensuite étudié : deux machines pentaphasées connectées en série et alimentées par un onduleur 5 bras.This paper presents the equivalence of multi-phase machines with a set a of 1-phase and 2-phase machines with no magnetic couplings. Two cases are then studied. First, a 5-phase machine supplied by a Voltage Source Inverter(VSI) is analyzed. Then, a model is established for a single 5-leg VSI supplying two 5-phase machines whose windings are connected in series

Contribution à la commande sans capteur mécanique d' actionneurs électriques motorisés par des machines synchrones à aimants permanents

Grace à leur forte densité de puissance et leur facilité de commande, les machines synchrones à aimants permanents (MSAP) sont fréquemment utilisées pour motoriser les actionneurs aéronautiques. Afin de pouvoir assurer le pilotage de ces moteurs, une information précise sur la position du rotor est nécessaire. Des capteurs de position sont utilisés pour mesurer la position et calculer la vitesse du rotor. Les inconvénients inhérents à l'utilisation de ces capteurs sont la diminution de la fiabilité du système et l'augmentation du poids, du volume, et du coût total du celui-ci. Dans ce travail, nous présentons une commande ne nécessitant pas le capteur de position à l'aide d'algorithmes d'estimation des variables mécaniques uniquement à partir de la mesure des courants statoriques. Après avoir abordé les méthodes de commande sans capteur adaptées aux hautes vitesses et basées sur l'estimation de la force électromotrice, nous établissons un état de l'art des méthodes de contrôle à basses vitesses basées sur la saillance du rotor. Une nouvelle méthode de commande sans capteur en basses vitesses et à l'arrêt, indépendante des paramètres du moteur et très simple à implanter est ensuite proposée et validée en simulation (sur un modèle de MSAP prenant en compte les effets de saturation) puis sur banc d'essais. Une étude analytique sur la convergence de l'algorithme et sa robustesse est également réalisée. Enfin, un processus d'initialisation ainsi qu'une méthode de transition sans à-coups entre les méthodes basses et hautes vitesses sont proposées et validées par simulation et expérimentationFor their high power density and ease of control, permanent magnet synchronous motors (PMSM) are widely used in more electric aircraft. In order to control PMSMs, precise information on the rotor position is required. This information is provided by position sensors which have inherent drawbacks despite their good precision: these sensors decrease reliability and increase weight, volume, and cost of the whole system. In this thesis, we present a mechanical sensorless control method by estimating the rotor speed and position only from the phase currents measurements. Sensorless control methods suitable for high speeds and based on back-EMF estimation are first discussed. Then, a state of the art in sensorless methods for low speeds operations is presented. A new sensorless control, independent from the motor parameters, is presented for operating at low speeds and standstill. Both simulations (on a PMSM model taking into account the saturation phenomenon) and experimental results show the effectiveness of this model-independent method. A convergence analysis and a robustness study of the proposed algorithm are also made. Finally, an initialization process and a method for smooth transition between low and high speeds methods are proposed and validated on an experimental test-benchMETZ-SCD (574632105) / SudocNANCY1-Bib. numérique (543959902) / SudocNANCY2-Bibliotheque electronique (543959901) / SudocNANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF

Modélisation des machines asynchones et synchrones à aimants avec prise en compte des harmoniques d'espace et de temps (application à la propulsion marine par POD)

Ce travail porte sur la modélisation et le dimensionnement des moteurs à aimants permanents et asynchrones destinés à la propulsion marine par POD. Un état de l art est présenté, où les différentes topologies de moteurs pour ce type d application y sont abordées. La Machine à aimants permanents et la machine asynchrone on été retenue pour notre application. Dans le cas de la machine à aimants permanents, une analyse par éléments finis est effectuée pour dimensionner la machine à aimants permanents et minimiser les principaux harmoniques de la FÉM. Un modèle éléments finis 2D en magnétostatique couplé à un modèle circuit est développé pour la prédiction des couples pulsatoires dues aux harmoniques du convertisseur. En ce qui concerne la machine asynchrone, Pour tenir compte des harmoniques d espace et évaluer leurs pertes, un modèle électromagnétique utilisant la résolution par éléments finis 2D en magnétodynamique couplé à un modèle circuit est développé. Par ailleurs, un autre modèle basé sur le principe de couplage éléments finis- circuit électrique est développé pour tenir compte des harmoniques de temps du variateur, ce modèle permet d évaluer à la fois les pertes dues aux harmoniques de temps, mais aussi des couples pulsatoires. Dans la phase de validation et vérification des différents calculs, nous avons utilisé l outil Flux2D de calcul par éléments finis qui tient compte de la rotation du rotor (pas à pas dans le temps) et effectué certaines mesures (cas de la machine à aimants permanents). Les résultats des calculs obtenus par les modèles développés concordent avec ceux obtenus par la méthode temporelle (pas à pas dans le temps) et les quelques mesures dont nous disposonsThis work concerns the modeling and the design of the permanent magnets and asynchronous motors intended for POD ship propulsion. A state of the art is presented, where various topologies of motors designed for this application are approached there. The permanent magnet motor and the induction motor have been chosen for the application. For the permanent magnets motor, a finite element analysis is adopted to design and minimize the main harmonics leading to a quasi sinusoidal back EMF. A finite element model coupled to an electrical circuit allows to predict both current and torque waveforms including time harmonics knowing the voltage waveform of the inverter. The induction motor is designed in such a way to have minimum losses and pulsating torque. For this purpose, a 2D complex finite element method coupled to an electrical circuit is developed. In addition, another 2D finite element-electrical circuit model is proposed to evaluate time harmonics losses and to reconstitute the current and torque waveforms. This model allows to predict the pulsating torques. The validation and verification step is done by using a time stepping finite element software Flux2D and some available measurements (for the permanent magnets motor). The comparison of the calculations obtained by the different methods and software, as well as the available measurements is satisfactoryNANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF

Stabilité des réseaux embarqués (interactions Puissance - Structure - Commande)

En raison des progrès réalisés dans l architecture et le contrôle des convertisseurs statique, beaucoup d applications électrotechniques se comportent comme des dispositifs fonctionnant à puissance constante. Cette propriété conduit à modéliser ces systèmes autour d un point de fonctionnement par des résistances négatives. Se pose alors un problème de stabilité quand ils sont connectés à des sources d énergie munies ou non d une commande. Dans une première partie de la thèse, les différents outils basés sur des spécifications d impédance sont introduits et appliqués à l étude des systèmes à puissance distribuée. Deux exemples électrotechniques sont traités ; le premier étudie l association filtre d entrée hacheur DC/DC. La seconde traite l association filtre d entrée actionneur électromécanique. Dans une second partie de la thèse, pour assurer la stabilité de deux dispositifs électrotechnique mis en cascade, l auteur propose d utiliser une commande globale non linéaire permettant d assurer à la fois la stabilité du système tout en minimisant la taille de ses éléments passifs. Pour assurer un contrôle découplé des différentes sorties ainsi que la stabilité du système, l auteur utilise une linéarisation de type entrée/sortie. Un régulateur à structure variable de type glissant assure les propriétés de robustesse vis-à-vis des variations paramétriques du système. L architecture de commande proposée permet alors une diminution significative des éléments de stockage d énergie dans le systèmeBecause of the high efficiency of the power electronic converters, ideal regulation of their outputs makes the converter appears as a constant power load seen by its front end power stage. So they can be modeled as a negative resistance around an operating point. As a result, when such a converter is connected to a controlled or uncontrolled power source subsystem, the risk of instability has to be unpacked. To study the stability issue taken by such a system, we have detailed in a first step how to prove the local stability of Distributed Power System. The impedance criterions which are used to analysis the stability of cascaded systems are described. These criterions are applied in the case of two power electronics applications. The first one corresponds to a DC/DC switching converter with its input filter. The second one deals with the stability issues of a system constituted by an input filter and an inverter-motor drive system. In the second part of the thesis, a non linear global control of a cascaded power electronic system is investigated in order to ensure the stability of the whole system with a minimization of its passive components. To uncouple the control of all the outputs variables and ensure the system stability, an I/O linearization technique is proposed. Thanks to the use of a sliding controller, the resulting control architecture is robust as regard to parameters variations and allows a significant diminution of the passive component sizeNANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF

Contribution à l'étude des machines synchrones à aimants permanents en présence de défauts inter-spires (modélisation, détection de défauts inter-spires)

Les systèmes électriques embarqués dans l'aéronautique doivent satisfaire à des cahiers des charges de plus en plus exigeants portant sur le poids, les performances et la fiabilité, d'où l'utilisation des Machines Synchrones à Aimants Permanents (MSAP). Vu les contraintes imposées, les prototypes sont parfois assez éloignés d'une MSAP classique. La surveillance en ligne de ces systèmes est alors plus délicate mais représente un enjeu considérable vu l'aspect critique des applications (ailerons d'avion, freinage...) et a pour objectif d'éviter un incident majeur en le détectant puis en basculant sur un système identique redondé. Ce document propose un travail de modélisation de MSAP saine et en présence de défaut inter-spires ayant pour objectif de définir des méthodes de détections de défauts inter-spires en ligne, sans capteurs supplémentaires. Deux approches sont présentées pour modéliser les MSAP en présence de défauts inter-spires et sont comparées à des essais expérimentaux réalisés sur un prototype aéronautique. L'une d'entre elles, reposant sur une approche par Réseaux De Perméances (RDP), permet d'obtenir le meilleur compromis. La partie suivante propose de tester deux approches utilisant un indicateur de défaut basé sur un modèle d'Onduleur-MSAP sain et montre l'intérêt de ce type d'approche comparé à des approches plus classiques. L'ensemble des indicateurs développés est ensuite analysé à l'aide d'un outil utilisant la Reconnaissance de Formes (RDF)Embedded electric systems in aircraft applications have to satisfy to specifications including weight, performances and reliability leading to the use of Permanent Magnet Synchronous Machines (PMSM). Due to these constraints, prototypes are often different from classical PMSM. Online monitoring of these systems is challenging but is still important regarding safety applications (electro mechanical airfoil, braking...). The main aim is to detect major incidents in order to use redundant systems. This work concerns modeling of PMSM under both healthy and inter-turn fault cases in order to defined online fault detection methods without additional sensors. Two approaches are presented and compared to experimental tests concerning PMSM under inter-turn fault conditions. One of them is based on Permeance Network (PN) modelling. It can be considered to be the best compromise. The next part deals with two fault indicators methods based on healthy models of Inverter and PMSM and shows improvements brought by these approaches compared to classical methods. The whole indicators are analyzed using Pattern Recognition (PR)METZ-SCD (574632105) / SudocNANCY1-Bib. numérique (543959902) / SudocNANCY2-Bibliotheque electronique (543959901) / SudocNANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF

Contribution à l'Etude d'un Onduleur Haute Température à base de JFET en carbure de silicium

L'aéronautique, dans ses efforts pour un avion plus vert, tend à devenir plus électrique. Cependant dans ce passage au plus électrique, quelques actionneurs de l'avion ainsi que leurs électroniques associées se heurtent à un verrou technologique lié à la haute température (200C). Dans ce contexte, ce mémoire présente des travaux qui contribuent à lever ce verrou technologique. Nous avons montré que le convertisseur d'électronique de puissance, désigné par onduleur, a été conçu pour répondre à notre besoin avec le composant le plus fiable et le plus mature, le JFET deux canaux de la société SICED INFINEON en carbure de silicium (ou SiC). Pour mieux cerner le fonctionnement du JFET SiC deux canaux et valider ultérieurement son modèle, nous avons effectué des caractérisations électriques de ses comportements statique et dynamique sur une plage de température importante allant de -40C à +180C. Nous avons montré et décrit de façon fine, en particulier à 27C, les phases de commutation du composant JFET en mettant en avant le rôle important des couplages capacitifs (Cgd, Cds et Cgs). Un modèle représentant ses comportements statique et dynamique a été présenté et validé à 27C. Nous avons ensuite minimisé les effets de l'Interaction Puissance Commande IPC due à Cgd au niveau du JFET fonctionnant en mode roue libre (phénomène de Punch-through à la mise en conduction et possible remise en conduction au blocage sont à considérer). Pour ce faire nous avons étudié et comparé trois circuits d'attaques de grille, et nous avons montré le rôle de l'impédance de grille (RG, lG) vis-à-vis de l'IPC et de l'optimisation des circuits d'attaque de grille. Enfin, nous avons présenté la problématique liée à la stabilité du bus continu à haute température (200C) et à haute tension (540V). Une solution de stabilisation du bus DC simple et efficace a été présentéeThe aircraft must become more electric in order to be greener. But in this transition to the more electric aircraft, some actuators and their associated electronics are facing a technological barrier related to the high temperature (200C). In this context, this thesis presents works that contributes to raising the technological barrier. We showed that the power electronic converter, called inverter, was designed to meet our needs with the more reliable and mature component, the silicon carbide (or SiC) JFET with two-channel manufactured by SICED INFINEON. To better understand the way to work of the SiC JFET with two channels and subsequently validate its model, we performed electrical characterization of its static and dynamic behavior on a wide temperature range from -40C to +180C. We showed and described precisely, especially at 27C, the phases of JFET switching; we highlighted the important role of capacitive coupling (Cgd, Cds et Cgs). A model representing its static and dynamic behavior was presented and validated at 27C. We then minimized the effects of the Drain-to-Gate Interaction DGI due to Cgd concerning the JFET operating in freewheeling mode (punch-through phenomenon at turn-on and a risk of a leg short-circuit at turn-off have to be considered). To do this, we studied and compared three specific gate circuits, and we showed the role of the gate impedance (RG, lG) to minimize the DGI and optimize the specific gate circuits. Finally, we presented the issue related to the stability of the DC bus at high temperature (200C) and high voltage (540V). A simple and effectiveness solution of stabilizing the DC bus was presentedMETZ-SCD (574632105) / SudocNANCY1-Bib. numérique (543959902) / SudocNANCY2-Bibliotheque electronique (543959901) / SudocNANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF

Contribution l'étude des convertisseurs multiniveaux destinés aux applications moteurs rapides

Cette thèse traite des convertisseurs multiniveaux destinés aux applications moteurs rapides, utilisés notamment dans le domaine de l'Oil \& Gas. L'objectif est l'étude d'une structure qui permette de réduire les pertes par commutation, en comparaison avec la topologie conventionnelle NPC (Neutral Point Clamped) 3 niveaux, actuellement utilisée. De plus, la structure de convertisseur doit permettre de fournir des grandeurs d'entrée au moteur ayant un faible taux de distorsion harmonique, de manière à ne pas créer des échauffements supplémentaires dans le moteur.Après avoir effectué une étude des différentes structures existantes, la structure NPP (Neutral Point Piloted) 3 niveaux est finalement retenue au vu de ses différentes qualités. En effet, grâce à la mise en série de composants semi-conducteurs, les pertes par commutation de ces derniers sont divisées par deux par rapport aux composants homologues de la topologie NPC. Après avoir comparé les topologies NPC et NPP en termes de forme d'onde et de répartition des pertes dans les composants, l'auteur s'intéresse à la validation expérimentale de cette structure. Les performances atteintes par le convertisseur NPP sont intéressantes puisqu'elles permettent de commuter à des fréquences deux fois plus élevées que la topologie NPC pour un courant donné ou de commuter un courant plus important pour une fréquence de commutation donnée.Les schémas de commutation des différents composants du bras NPP sont étudiés afin de comprendre le gain non négligeable obtenu sur cette structure.Malgré le fait que la structure NPP permette de commuter à des fréquences deux fois plus élevées que la structure NPC, on ne peut pas s'affranchir du filtre sinus en sortie de l'onduleur de manière à respecter les contraintes harmoniques au niveau du moteur. Ainsi, une topologie de filtre sinus à inductances couplées a été introduiteThis PhD thesis deals with multilevel inverters dedicated to high speed motors applications, used in Oil \& Gas applications. The main objective is to study a topology which enables reducing switching losses, in comparison with the conventional 3-level NPC (Neutral Point Clamped) topology. Moreover, the inverter has to provide motor input signals with a low harmonic distortion level, not to create undesired additional heating in the motor. After a study of the existing topologies, the 3-level NPP (Neutral Point Piloted) topology is chosen regarding all its benefits. Indeed, thanks to series connection of semi-conductor components, switching losses can be divided by two compared to homologous components on the NPC topology. After having compared NPC and NPP topologies in terms of waveforms and losses distribution in components, the author interest is the experimental validation of this topology. The performances reached by the NPP inverter are interesting because it enables to switch two times faster than for a NPC topology for a given current or to switch a higher current for a given switching frequency. The switching schemes of the NPP leg are studied to understand the gain obtained on this topology. In spite of the fact that switching frequency can be doubled on the NPP topology, the sinus filter can not be avoided in order to respect harmonic specification on the motor. A sinus filter with coupled inductances is introduced so that to responds the different sizing criteriaNANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF

Permanent magnet bearingless motors: Modelling, design and drive

International audienceIn this paper, the authors give a general description of bearingless machines and the origin of the ripples of the levitation force. Magnetic model using spectral analysis of the air-gap flux density is developed to identify the forces ripples and their origins. The authors propose two ways to suppress the force ripples. The first one can be performed during the design process of the machine while the second one can be applied with the supply via a control loop and an active harmonic suppression