Th. doct.-ing.--Électrotech.--Grenoble--I.N.P., 1981. N°: DI 225.

L'accroissement des performances énergétiques de systèmes industriels motorisés mettant en œuvre des machines électriques à courants alternatifs fait actuellement l'objet d'enjeux majeurs. Les travaux présentés dans ce mémoire s'inscrivent dans ce contexte et concernent la conception d'un outil (cellule) de diagnostic énergétique. Le verrou majeur à lever consiste à estimer le couple électromagnétique des machines AC, sans décapoter leurs boîtes à bornes ni mesurer leurs vitesses de rotation. La thèse a permis de développer des techniques non invasives, basées sur la mesure du courant de ligne et/ou du flux de dispersion dans l'environnement proche de la machine. Des analyses fines de la distribution du flux de dispersion autour de la carcasse ont été réalisées car le flux est atténué et déphasé sous l'influence des courants de Foucault. L'analyse a également permis de distinguer la contribution des conducteurs actifs de celle des têtes de bobines dans la génération du flux externe. Une image du flux d'entrefer a donc pu être mise en évidence, ainsi que la manière de la mesurer, conduisant à la définition de protocoles de détermination du couple. Ces derniers sont complétés par une méthode reposant sur la mesure ou l'estimation à partir du flux de dispersion du courant de phase. Les méthodes dégagées ont été appliquées à des machines asynchrones dont les puissances s'échelonnent de 3 à 200 kW. La conception de la cellule s'est étendue à son architecture et, notamment, à la transmission sans fil des informations collectées. La gestion de l'autonomie a été un critère prépondérant durant toute l'étude, conduisant d'une part à l'élaboration d'algorithmes légers donc peu énergivores pour la cellule et, d'autre part, à l'introduction du flux de dispersion comme source d'énergie alternative. / The energetic performance increase of industrial processes using AC electrical rotating machines is nowadays of great concern. The developments presented in this thesis are situated in this context and are about the design of an energy monitoring tool (cell). The main scientific barrier to lift is the estimation of the electromagnetic torque of AC machines without dismounting their terminal box or measuring their shaft speed. Non invasive methods have been developed; they are based on the measurement of the phase current and/or the external flux in the immediate vicinity of the machine. Analyses of the external flux distribution around the external housing were made : the magnetic flux is attenuated and phase shifted because of the eddy current effect. Then, the analysis has made it possible to distinguish the contribution of the wires placed in the slots from the effect of the end-windings in the external flux emission. The work explains how to determine an image of the external flux, as well as the way to measure it. That leads to the definition of protocols for determining the electromagnetic torque, which, for some of them use current measurements or its estimation from the external flux. The proposed methods have been applied to induction machines with rated powers between 3 to 200 kW. The cell structure is described, in particular the wireless transmission of the measured information. The autonomy of the cell is a factor taken into account troughout the study, leading to the development of little-intensive computing algorithms. It is also shown that the external flux can be used as an additional energy source.

Cette thèse étudie le problème d'excentration rotorique et le défaut d'alimentation dans une Machine Asynchrone Double-Etoile. En outre, elle analyse la commande de deux machines asynchrones connectées en série ainsi que la détection de défaut d'onduleur dans ce cadre de connexion. Elle propose également une reconfiguration de commande permettant de tolérer le default détecté. Le travail débute par des méthodes de modélisation d'une machine asynchrone polyphasée excentrée. La première méthode prend en considération les harmoniques de bobinage mais néglige les effets d'encoches. La deuxième se limite au premier harmonique de bobinage mais tient compte des harmoniques d'encoches. A partir de ces deux modèles, nous avons pu caractériser analytiquement les signatures d'excentration. En simulation, les deux modèles donnent les mêmes spectres à basse fréquence. Toutefois, le deuxième modèle offre des raies supplémentaires à haute fréquence. Ces raies résultent de la combinaison de l'excentration et des harmoniques d'encoches. Nous entamons ensuite la détection de défauts d'alimentation ou d'excentration lorsque la machine double-étoile est alimentée par un onduleur. Pour éliminer le défaut de court-circuit ou le défaut d'ouverture de circuit, nous proposons à la fois une modification de la structure du convertisseur et une adaptation de l'algorithme de commande. Les résultats de simulation sont prometteurs. Les courants retrouvent le régime équilibré et la même amplitude que celle d'avant le défaut. La vitesse se stabilise à nouveau après une courte perturbation assez forte. En ce qui concerne le problème d'excentration, les prédictions analytiques se justifient même en cas d'alimentation par onduleur. Dans le cas d’une alimentation par commande vectorielle, les variables de commande peuvent également servir d'outils de diagnostic d'excentration. Enfin, nous abordons la commande découplée d'une machine hexaphasée et d’une machine triphasée connectées en série. Le découplage de la commande de deux moteurs est tout d’abord examiné analytiquement. Des tests de simulation sont ensuite effectués pour confirmer l’efficacité du découplage. Nous avons montré par simulation qu'il est aussi possible d'éliminer les perturbations dues à un défaut d'un interrupteur de puissance grâce à une structure du convertisseur et à une adaptation de l'algorithme de commande. La plupart des prédictions par simulation on été justifiées expérimentalement. / This thesis investigates various fault and detection issues in a Dual-Stator Winding Induction Machine Drive including rotor eccentricity problems and inverter switch faults. In addition, the control of six-phase series-connected two-motor drives and the related fault detection and fault tolerant strategy issues are studied as well. The work starts with new modeling methods for an eccentric multiphase induction machine. The first proposed method considers only the winding harmonics and neglects the slotting effects. Then, a second method is proposed, considering the first winding harmonic and the slotting ones. From both modeling techniques, eccentricity signatures are extracted. Simulation results show that both modeling techniques provide identical spectra at low frequency; however, the second technique gives additional high frequency sidebands. These sidebands are the results of the interaction between the eccentricity and the slot harmonics. Eccentricity and inverter faults in a Dual-Stator Winding Induction Machine Drive are subsequently investigated. The inverter topology and the control algorithm are reconfigured to deal with short-circuit and open circuit faults on the inverter side so that the stator currents become balanced again and reach their pre-fault magnitude. Simulation results show promising results. The speed is stabilized after a short disturbance due to the fault. Besides, analytical method has been successfully used to predict eccentricity fault, although the machine was inverter fed. Control variables have been effectively used as diagnosis tools for eccentricity fault in a vector controlled machine. Additionally, decoupled control of six-phase and three-phase machines connected in series has been investigated. Firstly, decoupling control using analytical method is predicted. Several simulations are then carried out to confirm the decoupling effectiveness. For this special drive, elimination of the disturbances due to a switch fault is also possible thanks to an appropriate converter topology and adaptation of the control algorithm. Most of simulation predictions are confirmed by experimental results.

La machine asynchrone présente un intérêt majeur par rapport aux autres types de machines(courant continu, synchrone, ...), sa robustesse, son faible coût de fabrication etd'entretien en sont les principales raisons. Cependant ces avantages ont longtemps été inhibés par la complexité de la commande de celle-ci.De nos jours de nombreux industrielles proposent des variateurs de vitesse pour la machine asynchrone offrant à la fois la souplesse de contrôle, et la qualité de la conversion électromagnétique,naturellement obtenues jusqu'alors avec la machine à courant continu et de la machine synchrone.Depuis quelques années les industrielles font face à une nouvelle problématique, qui est la suppression du capteur mécanique dans le processus de régulation de vitesse de la machine asynchrone. Les travaux de cette thèse, effectués dansle cadre d'un support CIFRE entre l'entreprise GS Maintenance et le laboratoire ECS-Lab EA 3649, ont été orientésvers la réalisation d'un système de contrôle commande d'un variateur industrieldédié aux machines asynchrones sans capteur mécanique. De ce point de vue, l'objectifpremier du travail de thèse, est la conception des techniques de détermination des grandeursmécaniques (vitesse) de la machine asynchrone en utilisant comme seules mesuresles grandeurs électriques. Ces techniques, utilisées pour remplacer l'informationdonnée par les capteurs mécaniques, sont parfois appelées capteurs logiciels.Une attention particulière est donnée au fonctionnement de la machine asynchrone sanscapteur mécanique à basse vitesse. Dans un second temps l'objectif étant d'illustrer lesintérêts technologiques d'un observateur basé sur la technique des modes glissants dansle but d'intégrer celui-ci dans le système contrôle commande d'un variateur industriel. / Induction machine includes main interests compared with others electricals machines like brushed DC Motor,or synchronus electric Motor.Its robustness, its low cost manufacture, and maintenance are major reason of its success.However, for long time this advantages inhibited because of induction machine control complexity.Nowadays,many industrial propose speed drives for induction machine giving both control flexibility, and electromagnetic qualited conversion, naturally obtained with DC motor, and synchronus electric Motor.For several years now, many manufacturers face to a new problematic, wich is sensorless induction machine control.This thesis work, carried out in concert with the firm GS Maintenance and ECS-Lab EA 3649 laboratory under CIFRE financement.This work focused on conception plant dedicated to sensorless industrial speed drive control for induction machine.From this point of view, at first glance this work proposes technical strategies to identify mechanical induction machine variables, by using only electrical measurements.This strategies used to stand in for informations from a mechanical sensor, are the so called software sensor.Specific attention has been paid to induction machine sensorless working at very low speed. Secondly, we propose to illustrate the interest of a second order Sliding Mode Observer with final aim to be integrated into an industrial speed drive

Ce travail s'inscrit dans le cadre général de l'observation et de la commande non linéaire de machine asynchrone. Ce mémoire comporte cinq volets. La première partie donne les éléments de modélisation de la machine asynchrone ainsi que sa représentation dans différentes repères de coordonnées. La deuxième partie est dédiée aux observateurs de flux et de couple de charge pour machine asynchrone en vue de bonnes performances dans toute la gamme de vitesse. Nous présentons deux méthodes de synthèse d'observateurs différentes : modes glissants et grand gain de type cascade. La troisième partie est consacrée à la commande; nous nous intéressons plus particulièrement à la commande par modes glissants que nous appliquons au modèle de la machine asynchrone. Dans la quatrième partie, nous effectuons une analyse comparative de quelques lois de commande non linéaires dans le cadre d'un "benchmark" sur un modèle de machine de asynchrone, proposé à la communauté internationale. Nous présentons des résultats de simlation réalistes à l'aide d'un environnement de simulation spécialisé. Le dernier point concerne la partie expérimentale de l'étude. Nous présentons le banc d'essai du Laboratoire d'Automatique de Grenoble, plate-forme semi-industrielle de machine asynchrone. Nous détaillons ensuite l'évaluation expérimentale des observateurs et de certaines lois de commandes proposées, en vue d'une analyse comparative de leurs performances respectives.

Th. doct.-ing.--Électrotech.--Toulouse--I.N.P., 1978. N°: 34.

La conversion de l'énergie éolienne en énergie électrique fait appel à de nombreuses disciplines scientifiques (météorologie pour l'étude du comportement du vent, mécanique et chimie pour les contraintes et la composition des divers matériaux utilisés dans l'aérogénérateur, mécanique des fluides pour l'effet des masses d'air en mouvement sur les pales, électrotechnique pour la conversion électromécanique et l'adaptation de l'énergie électrique). C'est à la partie électrotechnique de cette chaîne de conversion qu'est consacré ce mémoire. <br />Après un bref rappel des concepts et équations régissant le fonctionnement d'un système éolien, ce document dresse un état de l'art des ensembles machines – convertisseurs utilisés dans l'énergie éolienne. <br />Une première étude montre les performances et les limites d'utilisation de la machine asynchrone à cage auto-excitée. Elle utilise une modélisation originale et simple où le modèle de la machine est complètement indépendant de celui de la charge et des capacités d'excitation. Les régimes équilibré et déséquilibré sont étudiés en simulation et validés expérimentalement.<br />Dans un deuxième temps, la réalisation d'un simulateur physique d'aérogénérateur est présentée. Celui-ci est destiné à placer les génératrices à l'étude dans des conditions proches de la réalité en les entraînant grâce à une machine à courant continu commandée de façon à reproduire les variations de couple d'une éolienne. <br />La troisième partie de ce mémoire est consacrée à la production d'électricité sur un réseau grâce à une machine asynchrone à double alimentation. L'originalité de cette machine, utilisée dans un système éolien, est de pouvoir contrôler l'échange de puissance entre le stator et le réseau en agissant sur les signaux rotoriques via un convertisseur bidirectionnel. Dans cette optique une commande vectorielle en puissances active et réactive statoriques est mise en œuvre. Cette commande est élaborée et testée en synthétisant trois types de régulateurs linéaires : Proportionnel- Intégral, RST basé sur la théorie du placement de pôles et Linéaire Quadratique Gaussien basé sur la minimisation d'un critère quadratique. Les performances du dispositif sont analysées et comparées en termes de suivi de consigne, robustesse, et rejet de perturbations.

Cette thèse traite de l'étude, la modélisation et la simulation d'un système de conversion d'énergie éolienne, permettant de fournir au réseau une puissance constante, basé sur une unité de stockage d'énergie et une machine asynchrone à double alimentation (MADA). Cette éolienne à axe horizontale fournie au réseau une puissance active constante quelles que soient les conditions de vent. L'association de batterie ou autre système de stockage sur le bus continu permet de stocker temporairement de l'énergie. La modélisation de la partie mécanique de l'éolienne est particulièrement détaillée, une hélice à angle de calage variable est utilisée pour maximiser la puissance extraite. Ensuite, la modélisation, le contrôle direct et le contrôle indirect de la MADA sont présentés. Un contrôle indépendant des puissances active et réactive est utilisé et le dimensionnement de l'unité de stockage pour cette utilisation est particulièrement détaillé. La commande de l'ensemble avec la recherche du point de fonctionnement à puissance maximale (MPPT) est expliquée. Des résultats de simulations permettent de valider l'étude pour deux profils de vent longue durée. Ce système de conversion éolien permet d'offrir des services systèmes comme la compensation de facteur de puissance ou la minimisation de courants harmoniques présent sur le réseau. Ainsi, la MADA est utilisée, avec une commande additionnelle, pour réduire les harmoniques de courant du réseau. Ce système facilite l'intégration des éoliennes dans le réseau de distribution car le gestionnaire du réseau peut avoir une puissance constante et des services systèmes utiles.

Le travail de recherche présenté dans cette thèse concerne le diagnostic des défauts rotoriques et mécaniques de la machine asynchrone. En premier lieu, est proposée une synthèse des méthodes de diagnostic appuyées par des expérimentations avec des défauts créés au rotor et au stator de la machine asynchrone alimentée à partir du réseau. Et dans le même sillage, une étude expérimentale sur la comparaison en amplitude et en phase des signatures de défauts de barres dans les spectres du courant statorique et de la tension entre neutres a été abordée. Dans un deuxième temps, la machine asynchrone est alimentée par un convertisseur faisant corps avec celle-ci. On a introduit une nouvelle technique de diagnostic, basée sur l'analyse spectrale des courants du réseau (en amont de l'ensemble convertisseur-machine). Finalement, et afin de simuler le comportement de la machine, il était nécessaire de développer un modèle précis prenant en compte les harmoniques d'espace, et la tension entre neutres, pour corroborer les fréquences induites par les défauts rotoriques dans la tension entre neutres, une étude théorique a été présentée qui a donné des résultats intéressants / The research presented in this thesis concerns the diagnosis of rotor and mechanical defaults of the induction machine. First, there is provided a summary of the diagnostic methods supported by experiments with defects created in the rotor and stator of the asynchronous machine fed from the network. And in the same vein, an experimental study on the comparison in amplitude and phase signatures of defects in bar in the spectra between the stator current and neutral voltage was discussed. In a second step, the induction motor is fed by a converter mounted directly onto the motor. We introduced a new diagnostic technique based on spectral analysis of the currents of the network (upstream of the converter-machine). Finally, in order to simulate the behavior of the machine, it was necessary to develop an accurate model taking into account the space harmonics, and neutral voltage. To corroborate the frequency induced by rotor defects in the neutral voltage, a theoretical study was presented which gave interesting results

Il s'agit de concevoir une machine à induction à cage bobinée sur dents. Ce bobinage est très intéressant car il permet d'obtenir des têtes de bobines très courtes induisant un gain de place important. Cependant, il produit beaucoup d'harmoniques d'espace dans l'entrefer, donnant naissance à des harmoniques de courants parcourant la cage de la machine. Ces derniers créent des couples parasites s'opposant fortement au couple principal du au fondamental du courant rotorique. Nous rappelons brièvement le fonctionnement d'une machine asynchrone et plus spécifiquement le bobinage des machines alternatives. Nous décrivons ensuite les différentes structures possibles de bobinages sur dents. Par la suite, nous cherchons à réduire les harmoniques d'espace de force magnétomotrice créés dans l'entrefer. Nous mettons également en place un premier critère permettant de dimensionner les paramètres géométriques d'un stator ainsi qu'un second critère pour définir un meilleur moteur du point de vue de la puissance utile disponible.