Este trabalho apresenta uma estratégia de controle coordenado para potência reativa e tensão terminal de um grupo moto gerador (GMG) para uso em um sistema de geração distribuída (GD). A partir da construção de uma superfície fuzzy, baseada no comportamento do erro e da derivada do erro de uma malha de controle, foi realizada a sintonia de controladores fuzzy PD+I para potências ativa e reativa e tensão terminal. O controlador coordenado fuzzy PD+I ajusta automaticamente a tensão nos terminais da máquina e a potência reativa fornecidas à rede de distribuição. A estratégia coordenada é dada através de um parâmetro que regula a malha de potência reativa a partir do erro de tensão terminal, priorizando o ajuste da tensão e ponderando a malha de controle de potência reativa. Para avaliar o desempenho do sistema de controle, a GD é conectada a uma rede de distribuição e submetida a eventos como entrada e saída de cargas locais. O conjunto de cargas locais é composto por um motor de indução, uma carga RLC e um retificador trifásico não controlado. Sete cenários foram simulados para avaliar a estratégia de controle em diferentes regimes de operação do GMG. Resultados para tensão terminal, fator de potência e fluxo de potências entre o sistema, as cargas e a rede, ilustram a eficiência da estratégia de controle apresentada. A estratégia de controle coordenado para potência reativa e tensão terminal se mostrou capaz de melhorar os índices de fator de potência controlando o fluxo de potência do barramento em que a GD estava conectada, sem prejudicar a tensão terminal do gerador, mantendo a GD em limites seguros de operação. / This work presents a coordinated control strategy to terminal voltage and reactive power for a diesel generation set used as a distributed gerenation system (DG). From desired control actions, a fuzzy surface was designed for fuzzy PD+I controllers. Fuzzy PD+I controllers automatically adjust the terminal voltage and the reactive power delivered to the grid. The coordinated control strategy weighs the control action for the reactive power through a variable parameter, prioritizing the terminal voltage adjustment. To illustrate the system control performance, the DG is connected to a grid dynamic model and the system is subjected to connection and disconnection of loads at the local bus. The local loads set was composed of an induction machine, a RLC load and an uncontrolled three-phase rectifier. Seven scenarios were simulated to evaluate the control strategy in different DG regime of operation. Results for terminal voltage, power factor and reactive power among the DG, the local loads and the grid, illustrates the control strategy efficiency improved the power factor by regulating the reactive power injected at the bus, maintaining the DG terminal voltage in safe operation limits.

Ce travail de thèse traite de la détection des défauts mécaniques des roulements à billes par analyse de grandeurs mécaniques et électriques dans des machines synchrones à aimants permanents haute vitesse. Le domaine applicatif de ce travail concerne l'aéronautique. Généralement, pour surveiller l'état des roulements à billes dans un actionneur électrique, des mesures vibratoires sont réalisées. Elles permettent, en exploitant le spectre du signal vibratoire, de mettre facilement en évidence la détérioration du roulement. Cette méthode de surveillance est cependant relativement couteuse en termes d'instrumentation et le placement d'un capteur vibratoire dans des équipements à fort degré d'intégration est parfois difficile. Nous proposons dans ce mémoire d'utiliser d'autres grandeurs physiques prélevées sur le système pour réaliser la surveillance de ces défauts. Il peut s'agir de grandeurs mécaniques (vitesse, position par exemple) et de grandeurs électriques (courant statorique, courant onduleur par exemple). L'utilisation de données déjà disponibles dans l'équipement pour les besoins de la commande permet ainsi de supprimer le système d'acquisition vibratoire. A partir d'enregistrements temporels de données réalisées au cours de campagnes d'essais, nous proposons des méthodologies de traitement du signal permettant d'extraire automatiquement des informations sensibles au défaut à surveiller. L'idée finale est de construire des indicateurs de l'état de santé des roulements permettant de prendre « juste à temps » des décisions fiables relatives à la maintenance ou à la sécurisation de l'équipement. Pour construire ces indicateurs, les signatures spécifiques aux défauts de roulements sont étudiées de manière théorique et expérimentale, pour l'ensemble des grandeurs prélevées. Leurs propriétés sont mises en évidence, permettant ainsi de définir les bandes fréquentielles les plus contributives au diagnostic. L'extraction de ces signatures est réalisée dans le domaine fréquentiel selon plusieurs méthodes. Deux types d'indicateurs automatiques différents sont proposés. Le premier est construit directement à partir du spectre d'amplitude des grandeurs par extraction de l'amplitude des harmoniques dans des bandes fréquentielles particulières. Le second intègre une dimension statistique dans l'analyse en exploitant le caractère aléatoire de certains harmoniques pour détecter la présence du défaut. Des critères de comparaison sont définis et utilisés pour étudier les performances des indicateurs proposés pour deux campagnes d'essais avec des roulements artificiellement dégradés, pour différentes vitesses de fonctionnement et pour différents paramètres de réglage des indicateurs. / This Ph.D. thesis deals with detection of mechanical bearings faults by analysis of mechanical and electrical signals in high speed permanent magnet synchronous machine. The application domain of this work concerns aeronautics. Generally, to monitor the ball bearings status in electrical actuator, the vibration measurements are used. They allow, by extracting the vibration spectrum, to easily detect the deterioration of the bearing. This monitoring method is relatively expensive in terms of instrumentation and placing a vibration sensor in equipment with a high integration degree can be difficult. We propose in this paper to use other physical quantities taken from the system to perform the monitoring of these defects. It may be mechanical quantities (for example speed, position) and electrical quantities (for example stator current, power inverter). From time recording of data carried out during test campaigns, we propose signal processing methodologies to automatically extract information sensitive to the monitored fault. The final idea is to construct indicators of bearings health and make decisions relating to maintenance or equipment security. To construct these indicators, specific bearing defects signatures are studied theoretically and experimentally, for all collected variables. The extraction of these signatures is carried out in frequency domain. Two different types of automatic indicators are proposed. The first is constructed directly from the amplitude spectrum by extraction of the harmonic amplitude of the spectrum in particular frequency bands. The second includes a statistical dimension analysis by exploiting the random nature of some harmonics to detect fault presence. Criteria of comparison are defined and used to study the proposed indicators performances for two trial campaigns with artificially degraded bearings, for different speed functioning and for different regulation of indicators parameters.

Le problème de la commande sans capteur mécanique de la machine synchrone à aimants permanents (MSAP) est un problème très étudié dans le domaine de l'automatique et de l'électrotechnique. Le travail présenté s'intéresse au problème particulier de la commande sans capteur à basse vitesse des MSAP à pôles lisses. L'objectif est de proposer une méthode permettant de contrôler en position un actionneur électromécanique utilisé dans un contexte aéronautique (ici pour des ailerons). Une étude théorique des deux familles de machines, saillantes et non saillantes, a permis de montrer une différence d'observabilité des modèles de la MSAP selon la vitesse de la machine, avec en particulier une perte d'observabiltié à basse vitesse pour les machines à pôles lisses. Pour pallier cette perte, de nouveaux modèles sont développés, qui prennent en compte des vibrations de la machine, sollicitée par une injection de signaux. Une nouvelle analyse, appliquée à ces modèles, permet de garantir l'observabilité de la machine sur toute la gamme de vitesse, y compris à l'arrêt. Nous avons donc proposé une approche d'observation de la position et de la vitesse basée sur ces nouveaux modèles avec une injection bien choisie. Contrairement aux méthodes classiques basées sur la saillance, cette approche est applicable à tous les types de machine. Elle a été validée sur plusieurs bancs d'essais par l'application d'un observateur de Kalman étendu. De nombreux tests ont été réalisés sur un benchmark dédié aux applications industrielles. Les résultats ont montré les performances, la robustesse et les limites des observateurs proposés. Nous nous sommes également intéressés à l'asservissement en vitesse sans capteur mécanique de la machine, pour lequel nous avons proposé deux méthodes de synthèse d'observateurs. La première est basée sur la synthèse d'un observateur LPV robuste par approche polytopique. La seconde utilise un observateur à modes de glissement d'ordre deux à gains adaptatifs. La faisabilité expérimentale de ces deux observateurs a été démontrée. / The issue of sensorless control of permanent magnet synchronous machine (PMSM) has been well studied in the field of automation and electrical engineering. In the following work, we were interested in the peculiar problem of low-speed sensorless control of surface PMSM. The objective is to o er a new method for the position control of an industrial electro-mechanical actuator, considering an aeronautical context (a flap actuator). First, modeling and observability analyses of surface (non-salient) PMSM and interior (salient) PMSM have been studied. A loss of observability can be especially found at low speed for models of non-salient machines. To overcome this loss, we have developped new models, that take into account vibrations caused by a signal injection. A theoretical observability study of these latter models shows that observability is now guaranteed for the whole speed range, including standstill. We thus proposed an estimation method of the position and speed of the PMSM, based on these models, with a dedicated injection signal. Unlike sallient-based methods that are only valid for sailent machines, our approach can be used with all types of PMSM. An Extended Kalman Filter is used to observe the position, speed and eventually the load torque. The proposed approach was validated on a dedicated test bench. Many simulation and experimental tests were performed on an industrial-oriented benchmark. Results showed the performances, robustness and limitations of the proposed observers. We have also studied speed sensorless control of the machine. Indeed, two observer syntheses have been presented. The first one is based on robust synthesis of an LPV observer using a polytopic approach. The second method is an adaptative-gain second-order sliding mode observer. Experimental feasibility of the two methods has been demonstrated.

Elektrische Maschinen werden heutzutage auf mannigfaltigen Gebieten eingesetzt. Sie verrichten ihre Aufgaben in leistungsstarken Industrieantrieben für Erzmühlen oder Stahlwalzen, als Synchrongeneratoren zur Elektroenergieerzeugung, in Fertigungsanlagen wie Backstraßen oder Fließbänder oder auch im Verkehr, in Zügen oder verstärkt nun auch in Automobilen. Sie erleichtern uns aber auch den Alltag an Stellen, wo sie oft gar nicht wahrgenommen werden. Sie ermöglichen nützliche Helferlein im Auto mithilfe von Servomotoren – Scheibenwischer, Fensterheber oder Seitenspiegelverstellung sind nur ausgewählte Beispiele. Aber auch Fensterrollläden, Klimaanlagen oder Fahrstühle benötigen elektrische Antriebe. Darüber hinaus verstecken sich sie sich als Klein- und Kleinstmaschinen in medizinischen Geräten wie dem Zahnarztbohrer oder in Pflegeprodukten des täglichen Bedarfs von der Haarschneidemaschine, über den Nasenhaartrimmer und Föhn bis hin zur elektrischen Zahnbürste. Da Elektromotoren also in immer mehr Geräten stecken, müssen auch immer größere Stückzahlen gefertigt werden, die am besten nichts kosten. Es besteht somit die große Herausforderung all die Bedürfnisse ressourcenschonend und kostengünstig zu bedienen. Aus diesem Gedanken heraus entstand am Lehrstuhl die Idee, Wicklungen elektrischer Kleinmaschinen zu drucken. Dies geschieht mithilfe der Siebdrucktechnik, wie es schon heute bei RFID-Chips die Regel ist. Es handelt sich also um ein erprobtes Verfahren, das eine günstige Fertigung großer Stückzahlen erlaubt. Erste Erfahrungen wurden bereits gesammelt, hier sei auf [10], [11] und [12] verwiesen. Im Rahmen dieser Diplomarbeit sollen diese Grundlagen nun ausgebaut, gefestigt, sowie erweitert werden. Um einen Eindruck und Überblick zu gewinnen, wird im Folgenden eine Reihe elektrischer Kleinmaschinen entworfen. Hierbei sollen Probleme ausfindig gemacht, Lösungen eruiert und Abweichungen zum konventionellen Entwurf aufgezeigt werden. Im Rahmen dessen werden Berechnungsvorschriften für siebgedruckte Wicklungen abgeleitet und diese schließlich zur Berechnung einer Maschinenreihe mit verschiedenen Außendurchmessern und Längen genutzt. Am Ende der Arbeit sollen ausgewählte Motoren aus der berechneten Reihe stehen, an denen Messungen stattfinden um die verwendeten Algorithmen zu verifizieren.

Στη παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται ανάλυση και μοντελοποίηση ενός φωτοβολταϊκού συστήματος συνδεδεμένο στο δίκτυο, που αποτελείται από μια φωτοβολταϊκή συστοιχία, έναν μετατροπέα συνεχούς τάσης σε συνεχή που ανυψώνει την τάση και παράλληλα είναι ανιχνευτής του σημείου μέγιστης ισχύος, ώστε να είναι μέγιστη η παραγόμενη ισχύς του συστήματος και έναν αντιστροφέα. Στην συνέχεια γίνεται ανάλυση και μοντελοποίηση ενός αιολικού συστήματος μεταβλητών στροφών που χρησιμοποιεί μια σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη (PMSG) και ένα σύστημα δύο μετατροπέων, πλήρους κλίμακας, πλάτη με πλάτη και συνδέεται επίσης στο δίκτυο. Μετά από αυτά θα αναλυθεί και θα μοντελοποιηθεί η σύνδεση αυτών των δυο συστημάτων μαζί στο δίκτυο κατανεμημένης παραγωγής σε κοινό κόμβο εναλλασσόμενης τάσης και σε κοινό κόμβο συνεχούς τάσης αντίστοιχα. Σε όλα αυτά θα προσπαθήσουμε να εφαρμόσουμε μια στρατηγική ελέγχου, ώστε να ελέγξουμε κατάλληλα τα συστήματα με σκοπό να επιτύχουμε την μέγιστη παραγωγή ισχύος. Τέλος, θα υλοποιήσουμε τα παραπάνω συστήματα σε περιβάλλον Matlab/Simulink και θα τα προσομοιώσουμε για διάφορες μεταβολές στην ακτινοβολία και την ταχύτητα του ανέμου. Ούτως ώστε να δούμε πως συμπεριφέρεται η δεδομένη στρατηγική ελέγχου που εφαρμόσαμε και να μπορέσουμε να εξάγουμε κάποια συμπεράσματα. Στο πρώτο Κεφάλαιο θα γίνει αναφορά στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, στα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα που αυτές εμφανίζουν. Πιο συγκεκριμένα θα δοθεί έμφαση στην ηλιακή και την αιολική ενέργεια, στα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα αυτών καθώς και κάποια σύντομα ιστορικά στοιχεία σχετικά με αυτές. Ακόμη, θα αναλυθούν τα βασικά χαρακτηριστικά των φωτοβολταϊκών συστοιχιών και των ανεμογεννητριών στα οποία στηρίζεται η λειτουργία των συστημάτων που μελετώνται. Στο δεύτερο Κεφάλαιο θα γίνει η ανάλυση των φωτοβολταϊκών συστημάτων και των δομικών μονάδων τους. Αρχικά θα γίνει αναφορά στα αυτόνομα και διασυνδεδεμένα φωτοβολταϊκά συστήματα. Στην συνέχεια θα δοθεί το ισοδύναμο μοντέλο του φωτοβολταϊκού κυττάρου με σκοπό να αναλυθεί η I-V χαρακτηριστική του και να οριστεί ο συντελεστής πληρώσεως και η απόδοση του φωτοβολταϊκού κυττάρου. Έπειτα θα ασχοληθούμε με τον μετατροπέα συνεχούς τάσης σε συνεχή, θα αναλυθεί εν συντομία η λειτουργία του και θα εξαχθεί το μοντέλο του. Αυτός ο μετατροπέας παράλληλα επιτελεί και την λειτουργία ανίχνευσης του σημείου μέγιστης ισχύος, οπότε θα αναλυθούν και οι μέθοδοι εύρεσης αυτού. Ακόμη, θα ασχοληθούμε με τους αντιστροφείς και τις τεχνολογίες αυτών στα φωτοβολταϊκά συστήματα και θα αναφερθεί ο τρόπος ελέγχου τους. Θα μεταφερθούμε στο στρεφόμενο σύστημα d–q δύο καθέτων αξόνων, μέσω του μετασχηματισμού Park, που μας προσφέρει απλούστευση των εξισώσεων και ευκολία στον έλεγχο. Έτσι τελικά θα μοντελοποιηθεί το φωτοβολταϊκό σύστημα και θα ελεγχθεί. Στο τρίτο Κεφάλαιο θα γίνει αντίστοιχα ανάλυση των αιολικών συστημάτων και των δομικών μονάδων τους. Θα παρουσιαστεί η σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη, τα βασικά στοιχεία για αυτήν και το μαθηματικό της μοντέλο. Έπειτα, θα ασχοληθούμε με την αναλυτική μαθηματική περιγραφή της μετατροπής της κινητικής ενέργειας σε μηχανική. Θα γίνει ανάλυση των μεθόδων μηχανικού ελέγχου ώστε να είναι μέγιστη η παραγόμενη ισχύς. Ακόμη θα εξαχθεί το συνολικό μαθηματικό μοντέλο για το αιολικό σύστημα και ο έλεγχός του. Στο τέταρτο Κεφάλαιο, θα αναφερθούμε στην κεντρικοποιημένη και την αποκεντρωμένη παραγωγή, θα αναλυθούν τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα αυτών και θα εισαχθεί η έννοια του μικροδικτύου και κατηγοριοποιήσεις αυτού. Έπειτα θα εξαχθούν τα μαθηματικά μοντέλα για τις αντίστοιχες τοπολογίες της διασύνδεσης των συστημάτων στο δίκτυο, για την πρώτη σε κοινό κόμβο εναλλασσόμενης τάσης και για τη δεύτερη σε κοινό κόμβο συνεχούς τάσης. Τέλος θα γίνει έλεγχος αυτών. Στο πέμπτο και τελευταίο Κεφάλαιο θα παραθέσουμε τα τεχνικά χαρακτηριστικά του συστήματος που χρησιμοποιήσαμε στην προσομοίωση, καθώς και τα αριθμητικά κέρδη των ελεγκτών. Τέλος, ακολουθούν τα αποτελέσματα της προσομοίωσης μαζί με ένα σύντομο σχολιασμό και μερικά συμπεράσματα. / The thesis that follows concerns the analysis and modeling of a photovoltaic system that is constituted by a PV array, a DC voltage converter that raises the voltage and simultaneously detect the maximum power point (MPP), so the power output of the system be maximum, and an inverter. Subsequently, the analysis and modeling of a variable speed wind system that uses a permanent magnet synchronous machine (PMSG) and a network of two converters, full scale, back to back that is also connected to the network. After these, will be analyzed and modeled the connection of these two systems together in a network of distributed generation common AC voltage node and common DC voltage node respectively. It will be attempted the implement of a control strategy to control the appropriate systems in order to achieve maximum power production. Finally, we will implement these systems in a Matlab/Simulink environment and simulate them for different changes in radiation and wind speed in order to see how the applied control strategy behaves and extract some conclusions. In chapter 1, becomes a more general report in the renewable sources of energy, to the advantages and disadvantages of them. Specifically, we will focus on the solar and wind energy, advantages and disadvantages and some brief historical information about them. Also, will analyze the main characteristics of the photovoltaic array and wind turbines. In chapter 2 will be analyzed the photovoltaic systems and their structural units. Firstly we will refer to the autonomous and grid-connected PV systems. Then will be given the equivalent model of the photovoltaic cell in order to analyze their characteristics and to determine the fill factor and the efficiency of the photovoltaic cell. Then we will deal with the dc/dc converter we briefly analyze the operation and will extract the model. This converter also performs the function of detecting the MPP so will also be analyzed the methods of finding it. We will refer to the inverters and their technologies in photovoltaic systems and it will be described their control. We will be transferred to the rotating system d-q of two perpendicular axes through the transformation Park which offers simplified equations and ease of control. So eventually the solar system will be modeled and controlled. In chapter 3 will be relevant analysis of the wind systems and their structural units. It will be presented a permanent magnet synchronous machine, its basics and its mathematical model. Then we will deal with the detailed mathematical description of the conversion of kinetic energy into mechanical. We analyze the mechanical control methods to be maximal power output. Also, the overall mathematical model of the wind system and its control will be extracted. In chapter 4, we will refer to the centralized and decentralized production, we will analyze the advantages and disadvantages and introduce the concept of microgrid and its categorizations. Then we will draw the mathematical models for the respective topologies of interconnection systems to the network, the first case is that of common AC voltage node and the second common DC voltage node. Finally they will be controlled. In chapter 5 will be described the technical characteristics of the system used in the simulation and numerical gains of controllers. Finally, the simulation results along with a brief commentary and a few conclusions are given.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This study had as main objective to perform the modeling and analysis of transient stability of a typical electric power system. The second goal, also important, was to assess the feasibility of using ATP (Alternative Transients Program) as a computer tool for simulation of transient stability. The system focused here is comprised of nine busses with three generators, one hydraulic and the other two with thermal characteristics. All the system machines were equipped with voltage regulators and speed governor in ATP software. The technical issues studied here refer to the analysis of system stability after a disturbance, such as: three-phase short-circuit, load loss and generation outage. The results show that ATP software performs satisfactorily the transient stability analysis. This fact can also be proved by comparing the results obtained from ATP with those from simulations with PSAT (Power System Analysis Toolbox). For this purpose some adjustments were necessary in the graphical results since ATP works in time domain while PSAT program operates in the frequency domain. / Este trabalho teve como principal objetivo realizar a modelagem e a análise da estabilidade transitória de um sistema elétrico de potência típico. O segundo objetivo, também importante, consistiu em avaliar a viabilidade de se utilizar o ATP (Alternative Transients Program) como uma ferramenta computacional para simulação de estabilidade transitória. O sistema aqui enfocado é composto por nove barramentos com três unidades geradoras, uma com característica hidráulica e as outras duas com características térmicas. Todas as máquinas do sistema foram equipadas com reguladores de tensão e velocidade no programa ATP. As questões técnicas estudadas aqui se referem à análise da estabilidade do sistema após uma perturbação, sendo elas: falta trifásica, perda de carga e saída de geração. Os resultados mostram que o software ATP realiza satisfatoriamente a análise de estabilidade transitória. Este fato pode também ser comprovado pela comparação dos resultados obtidos com o ATP com aqueles provenientes de simulações com o PSAT (Power System Analysis Toolbox). Para este propósito foi necessário realizar alguns ajustes nos resultados gráficos já que ATP trabalha no domínio do tempo enquanto que o programa PSAT opera no domínio da frequência, tais como: transformação de alguns gráficos fornecidos pelo ATP em pu. / Mestre em Ciências

Dans le milieu automobile, les règlementations visant à limiter l’émission de particules fines et de gaz à effet de serre sont devenues de plus en plus sévères au cours des dernières années. Cette tendance ne va pas s’inverser et des solutions doivent être trouvées pour améliorer le rendement des moteurs à combustion interne (ICE) qui propulsent la majorité des véhicules de tourisme dans le monde.Une des solutions permettant d’améliorer le rendement thermodynamique de l’ICE est d’utiliser un turbocompresseur. Cet organe de suralimentation permet d’accroître le couple du moteur en augmentant la pression d’air dans les cylindres et par conséquent la quantité de comburant. Le turbocompresseur présente cependant un inconvénient pour l’agrément de conduite. Selon la technologie employée, un temps de latence (turbo lag) plus ou moins important apparait entre le moment ou le conducteur appui sur la pédale d’accélérateur et le moment ou le couple est disponible sur les roues.Pour pallier ce problème, on peut utiliser une machine électrique venant assister le turbocompresseur durant la phase de montée en vitesse. Cette machine peut faire partie d’un système indépendant de compression d’air et placée en amont du turbocompresseur, on parlera alors de turbo assisté électriquement. Cette machine peut aussi être intégrée directement au turbocompresseur, on parlera alors de turbo électrique. Dans les deux cas, le temps de réponse du turbocompresseur est amélioré ce qui impacte directement la dynamique du véhicule et le plaisir de conduite. Dans le cas du turbo électrique, l’intégration de la machine électrique directement sur le turbocompresseur permet son fonctionnement en génératrice en offrant ainsi une amélioration du rendement global de l’ICE.Le sujet de la thèse est la modélisation et la conception des machines électriques haute vitesse pour ces applications. Les principales qualités recherchées pour ces machines seront :-leurs capacités à pouvoir fonctionner à haute vitesse : les vitesses recherchées se situe typiquement entre 70 000 et 150 000 tr/min pour des vitesses périphériques de l’ordre de 150 m/s ;-leurs densités de puissance : on recherche des puissances de 3 à 15 kW pour des machines compactes qui devront être intégrées sous le capot du véhicule ;-des rendements élevés de l’ordre de 95 % ;-une conception adaptée à la production en grande série pour l’automobile.Pour répondre à cette problématique, les travaux suivants ont été entrepris :Dans un premier temps, nous avons modélisé finement les phénomènes électromagnétiques et mécaniques liées aux machines électriques haute vitesse à encoches et aimants permanents positionnés en surface. Pour cela, nous avons développé un modèle de calcul en sous-domaines pour la partie électromagnétique et un modèle multicouches de résistance des matériaux pour le calcul de la tenue du rotor à haute vitesse.Dans un deuxième temps, pour pouvoir explorer des topologies de machines très différentes, nous avons eu recourt aux méthodes de calcul par éléments finis. Nous avons pu identifier et de comparer plusieurs topologies de machines à encoches, sans encoches, à bobinage dentaire ou toroïdal. Cette étude paramétrique a permis de comparer la densité de couple et le rendement de ces machines.Enfin, dans une dernière partie, nous avons traité le cas du prototypage et des mesures de ces machines. Pour cela, sur la base des études réalisées, nous avons prototypé trois machines aux performances prometteuses. La conception mécanique des différentes machines est abordée ainsi que les méthodes de mesures et les difficultés liées aux caractérisations à haute vitesse.Au cours de ce travail de thèse, d’autres aspects ont aussi été abordés tel que la modélisation des pertes du système machine électrique et convertisseur de puissance, la dynamique des rotors ou encore les émissions acoustiques. / In the automotive industry, regulations to limit the emission of greenhouse gases have become more and more severe. This trend is not going to change and solutions must be found to improve the efficiency of internal combustion engines (ICE) that drive the majority of passenger cars in the world.Turbochargers are a clever solution to improve the thermodynamic efficiency of the ICE. This forced induction device increases the air pressure in the cylinders and therefore the engine torque. However, turbochargers have a major disadvantage for the driver experience: a lag time (turbo lag) between the moment when the driver steps on the accelerator and the moment when torque is available.To overcome this problem, an electric machine can be used to assist the turbocharger during the speed up phase. This machine can be a part of an independent system of air compression and placed upstream of the turbocharger or it can be integrated directly into the turbocharger. In both cases, the response time of the turbocharger is greatly reduced which directly impacts the dynamic of the vehicle and the driving pleasure. The integration of the electric machine directly on the turbocharger allows its operation as a generator to improve the overall efficiency of the ICE.The subject of this thesis is the modeling and design of high speed electric machines for these applications. The main requirements are:-High-speed operation: between 70,000 and 150,000 rpm and peripheral speeds around 150 m/s.-Power density: from 3 to 15 kW for compact machines that will have to be integrated under the hood of the vehicle.-High efficiency: around 95 % and above.-A design adapted to mass production for the automotive industry.To cope with this requirements, the following tasks were undertaken:Firstly, we modeled the electromagnetic and mechanical behaviors of high-speed slotted electric machines with surface-mounted permanent magnets. For the electromagnetic part, we developed a subdomain calculation model. For the mechanical part, we worked on a multilayer model to evaluate the rotor strength at high speed.Secondly, we used finite element analysis methods to explore different machine structures. We compared several topologies of slotted and slotless machines, with tooth-coil winding and toroidal winding. This parametric study allowed us to compare the torque density and efficiency of these machines.Finally, we dealt with the case of prototyping and measurements of these machines. Based on the previous studies, we prototyped three machines with promising performances. The mechanical design of the different machines is discussed as well as the measurement methods and the difficulties associated with high speed characterization.During this thesis work, other aspects were also discussed such as the losses in power converters driving high-speed electric machines, rotor dynamics and acoustic emissions.

Les travaux de cette thèse portent sur une nouvelle structure de machine à double excitation (MSDE) pour l'application des véhicules hybrides et électriques. Ce type de machine, ayant deux sources d'excitation, bénéficie un degré de liberté supplémentaire et un contrôle facile sur le flux. Grâce à ce degré de liberté, la machine peut être dimensionnée de manière que son meilleur rendement coïncide avec la zone de fonctionnement la plus sollicitée de la machine. Cette nouvelle structure a fait l'objet principal de ce mémoire. Le fonctionnement de la MSDE est présenté dans les deux premiers chapitres. La machine est dimensionnée suivant un cahier des charges pour véhicule hybride. La validation expérimentale a confirmé le bon fonctionnement de la structure et montré son intérêt. Une autre problématique dans le dimensionnement de la machine est l'aspect thermique car les machines sont devenues de plus en plus compactes et puissantes. Une estimation correcte des pertes est indispensable pour évaluer correctement les performances de la machine. C'est la raison pour laquelle on a décidé de consacrer une partie de cette thèse à la modélisation des pertes fer, dont l'estimation n'est pas évidente. / The PhD work deals with a new structure of hybrid excited synchronous machine (MSDE) for the application of hybrid and electric vehicles. This kind of machine, with two excitation sources, benefits an additional degree of freedom and an easy control of flux. Due to this degree of freedom, the machine can be designed in the way that its best efficiency coincide with the most solicited operating zone. This new machine structure is the main subject of this study. The principle of this MSDE is presented in the first two chapters. The machine is then designed according to the specifications for an hybrid vehicle. The experimental validation has confirmed the proper functioning of the structure and shown its interest. Another important subject in the machine sizing is the thermal aspect because our machines are becoming more and more compact and powerful. A correct estimation of the iron loss is essential for evaluating correctly the machine performances. That's why we have decided to dedicate a part of this study to the modeling of iron loss, of which the estimation is not evident.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work aims to analyze the dynamic performance of a synchronous generator and its controls in a distributed generation system, as well as evaluate the impacts of its operation when connected to the distribution grid, using for this task the ATPDraw interface/tool of software ATP. Within this context, it is firstly necessary to obtain suitable models to represent the synchronous machine control systems (voltage regulator, speed governor and stabilizer system) in ATPDraw. Furthermore, for stability analysis, it is developed a mathematical technique to calculate the machine power angle which is represented in ATPDraw by a device (icon). The adjustments of voltage and speed control system parameters are performed by some adopted procedures which are verified using two electric systems: the first one with a synchronous generator connected to the distribution grid; and the second with three distinct generators forming a multimachine system. In these systems some disturbances are applied such as load shedding and short-circuit to accomplish the studies. Finally, with the previous results, it is carried out some dynamic performance studies of a synchronous generator of an independent producer connected to a distribution grid so as to assess aspects of power quality (voltage magnitude), stability and to evaluate the influence of machine controls during the system response for a given load shedding. / Este trabalho tem como objetivo analisar o desempenho dinâmico de um gerador síncrono e seus controles, num sistema de geração distribuída, assim como avaliar os impactos causados por este quando da sua operação conectado às redes de distribuição, utilizando a interface ATPDraw do software ATP. Neste contexto, é primeiramente necessário obter modelos adequados para representar os sistemas de controle da máquina síncrona (regulador de tensão e regulador de velocidade e estabilizador do sistema) no ATPDraw. Além disso, para análise de estabilidade é desenvolvido uma técnica matemática para o cálculo do ângulo de potência da máquina a qual é representada no ATPDraw por um dispositivo (ícone). Para ajustar os parâmetros dos sistemas de controle de tensão e de velocidade são apresentados alguns procedimentos adotados, sendo estes verificados por meio de dois sistemas elétricos: o primeiro com um gerador síncrono conectado a uma rede de distribuição; e o segundo composto por três geradores distintos formando um sistema multimáquinas. Nesses sistemas são aplicados distúrbios do tipo rejeição de carga e curto-circuito para realização dos estudos. Finalmente, com os resultados obtidos anteriormente, são realizados estudos do desempenho dinâmico de um gerador síncrono de um produtor independente, conectado a rede de distribuição, para avaliar aspectos de qualidade de energia (magnitude de tensão), de estabilidade e verificar as influências dos controles da máquina durante a resposta do sistema para uma dada rejeição de carga. / Mestre em Ciências

Este trabalho apresenta uma estratégia de controle coordenado para potência reativa e tensão terminal de um grupo moto gerador (GMG) para uso em um sistema de geração distribuída (GD). A partir da construção de uma superfície fuzzy, baseada no comportamento do erro e da derivada do erro de uma malha de controle, foi realizada a sintonia de controladores fuzzy PD+I para potências ativa e reativa e tensão terminal. O controlador coordenado fuzzy PD+I ajusta automaticamente a tensão nos terminais da máquina e a potência reativa fornecidas à rede de distribuição. A estratégia coordenada é dada através de um parâmetro que regula a malha de potência reativa a partir do erro de tensão terminal, priorizando o ajuste da tensão e ponderando a malha de controle de potência reativa. Para avaliar o desempenho do sistema de controle, a GD é conectada a uma rede de distribuição e submetida a eventos como entrada e saída de cargas locais. O conjunto de cargas locais é composto por um motor de indução, uma carga RLC e um retificador trifásico não controlado. Sete cenários foram simulados para avaliar a estratégia de controle em diferentes regimes de operação do GMG. Resultados para tensão terminal, fator de potência e fluxo de potências entre o sistema, as cargas e a rede, ilustram a eficiência da estratégia de controle apresentada. A estratégia de controle coordenado para potência reativa e tensão terminal se mostrou capaz de melhorar os índices de fator de potência controlando o fluxo de potência do barramento em que a GD estava conectada, sem prejudicar a tensão terminal do gerador, mantendo a GD em limites seguros de operação. / This work presents a coordinated control strategy to terminal voltage and reactive power for a diesel generation set used as a distributed gerenation system (DG). From desired control actions, a fuzzy surface was designed for fuzzy PD+I controllers. Fuzzy PD+I controllers automatically adjust the terminal voltage and the reactive power delivered to the grid. The coordinated control strategy weighs the control action for the reactive power through a variable parameter, prioritizing the terminal voltage adjustment. To illustrate the system control performance, the DG is connected to a grid dynamic model and the system is subjected to connection and disconnection of loads at the local bus. The local loads set was composed of an induction machine, a RLC load and an uncontrolled three-phase rectifier. Seven scenarios were simulated to evaluate the control strategy in different DG regime of operation. Results for terminal voltage, power factor and reactive power among the DG, the local loads and the grid, illustrates the control strategy efficiency improved the power factor by regulating the reactive power injected at the bus, maintaining the DG terminal voltage in safe operation limits.