Ocean wave energy is a promising renewable source to contribute to supplying the world’s energy demand. The Division of Electricity at Uppsala University is developing a technology to capture energy from ocean waves with a wave energy converter (WEC) consisting of a linear permanent magnet generator and a point absorber. The linear generator is placed on sea bed and is driven directly by the floating absorber. Since March 2006, multiple wave energy converters have been deployed on the Swedish west coast outside the town of Lysekil. The technology is verified by long-term operation during at sea and satisfactory reliability of the electricity generation. This thesis focuses on developing advanced control strategies for fully coupled wave energy converters subject to constraints. A nonlinear control strategy is studied in detail for a single WEC subject to constraints under regular and irregular waves. Besides, two coordinated control strategies are developed to investigate the performance of a wave energy farm subject to constraints. The performance of the WECs using these control strategies are investigated in case studies, and optimal PTO damping coefficients are found to maximize the output power. The results show that these control strategies can significantly improve the performance of the WECs, in terms of mean power, compared to a conventional control. Besides these control strategies, a wave-to-wire simulation platform is built to study the power generation control of the WEC subject to constraints.  The wave-to-wire simulation platform allows both nonlinear and linear control force. The results show that there is a good agreement between the desired value and the actual value after advanced control.

La mise en place d’un nouveau canal d’alimentation électrique incorporant un générateur à aimants permanents PMG (Permanent Magnet Generator) en remplacement de l’actuel canal de génération hydraulique est l’un des sujets de recherche en cours dans le secteur aéronautique. Le choix de cette solution est motivé par de nombreux avantages : réduction de masse, meilleure disponibilité du réseau hydraulique et maintenance plus aisée. Cependant, l’utilisation d’un PMG en tant que générateur électrique au sein d’un avion implique de nouvelles problématiques, notamment en ce qui concerne la sûreté de fonctionnement lors de défaillances internes au PMG. En effet, tant que le rotor est en rotation, la présence d’une excitation permanente due aux aimants entretient la présence du défaut même si le stator n’est plus alimenté, ce qui complexifie la mise en sécurité du PMG. Il est ainsi nécessaire de connaître précisément l’état de santé du PMG afin d’assurer une bonne continuité de service en évitant d’ordonner la mise en sécurité du PMG sur des défaillances externes au générateur. C’est pourquoi les travaux de cette thèse portent sur la détection des courts-circuits inter-spires dans les PMG, ces défauts ayant été identifiés comme les plus critiques pour ce type de machine. Compte tenu du contexte aéronautique, il a été choisi de travailler sur les méthodes de détection basées sur l’estimation de paramètres via un modèle mathématique de la machine en utilisant le Filtre de Kalman Etendu (FKE). En effet, s’il est correctement paramétré, le FKE permet d’obtenir une bonne dynamique de détection et s’avère être très robuste aux variations du réseau électrique (vitesse, déséquilibre, …), critère important pour garantir un canal de génération fiable. Deux types de modèle mathématique sont présentés pour la construction d’un indicateur de défaut utilisant les estimations fournies par le FKE. Le premier est basé sur une représentation saine du PMG où l’indicateur de défaut est construit à partir de l’estimation de certains paramètres de la machine (résistance, inductance, constante de fem ou pulsation électrique). Le second modèle utilise une formulation d’un PMG défaillant qui permet d’estimer le pourcentage de spires en court-circuit. Après avoir comparé et validé expérimentalement le comportement des différents indicateurs sur un banc de test à puissance réduite, la mise en place d’un indicateur de court-circuit inter-spires au sein d’un réseau électrique aéronautique et son interaction avec les protections existantes sur avion sont étudiées dans la dernière partie de ce mémoire. / The establishment of an electrical power supply channel including a Permanent Magnet Generator (PMG) to replace an hydraulic power channel is one of the current topics of research in the aeronautic field. This choice is motivated by several benefits : weight reduction, improvement of the hydraulic network avaibility and easier maintenance. However, the use of PMG as an electrical generator in an aircraft implies new issues, particularly as regards safety considerations when an internal fault occurs in the PMG. Indeed, as long as the rotor in rotating, the presence of the persistent excitation due to the magnets maintains the internal fault even if the stator is de-energized. This makes the safety procedure of PMG more complex. Therefore, it is necessary to precisely know the behavior of the PMG (healthy or faulty) to ensure the avaibility of this power supply channel in order to avoid triggering PMG safety procedure when an external fault occurs. Thus, this work deals with the on-line detection of inter-turn short-circuits in PMG, these faults have been identified as the most critical for this kind of machine Given the aeronautic context, it has been decided to work on detection methods based on parameter estimation via a mathematical model of the machine using the Extended Kalman Filter (EKF). Indeed, with an appropriate setting, the EKF provides a fast dynamic detection and can be very robust to variations in the electrical network (speed, unbalanced, ...) which is an important characteristic to ensure a reliable generation channel. Two types of mathematical model are presented for fault indicator construction using the estimations provided by the EKF. The first one is based on an healthy representation of the PMG where the fault indicator is built from the estimation of PMG electrical parameters (resistance, inductance, electromotive force constant or electrical rotational velocity). The second model uses a faulty PMG formulation to estimate the ratio of short-circuited turns. After the comparison and the experimental validation of the fault indicators behavior on a test bench at reduced power, the establishment of a inter-turn short-circuit indicator within an aircraft electrical system and its interaction with existing protections are studied in the last part of this thesis.

Tato dizertační práce se zabývá návrhem původního motor-generátoru s axiálním tokem a buzením permanetními magnety, zkonstruovaným specificky pro hybridní elektrický autobus. Návrhové zadání pro tento stroj přineslo požadavky, které vedly k této unikátní topologii tak, aby byl dosažen výkon, účinnost a rozměry stroje. Tato partikulární topologie motor-generátoru s axiálním tokem je výsledkem literární rešerše, kterou následoval výběr koncepce stroje s představeným návrhem jako výsledkem těchto procesů. Přístup k návrhu stroje s axiálním tokem sledoval „multi-fyzikální“ koncepci, která pracuje s návrhem elektromagnetickým, tepelným, mechanickým, včetně návrhu řízení, v jedné iteraci. Tím je v konečném návrhu zajištěna rovnováha mezi těmito inženýrskými disciplínami. Pro samotný návrh stroje byla vyvinuta sada výpočtových a analytických nástrojů, které byly podloženy metodou konečných prvků tak, aby samotný návrh stroje byl přesnější a spolehlivější. Modelování somtného elektrického stroje a celého pohonu poskytlo představu o výkonnosti a účinnosti celého subsytému v rozmanitých operačních podmínkách. Rovněž poukázal na optimizační potenciál pro návrh řízení subsystému ve smyslu maximalizace účinnosti celého pohonu. Bylo postaveno několik prototypů tohoto stroje, které prošly intensivním testováním jak na úrovni sybsytému, tak systému. Samotné výsledky testů jsou diskutovány a porovnány s analytickými výpočty parametrů stroje. Poznatky získané z prvního prototypu stroje pak sloužily k představení možností, jak zjednodušit výrobu a montáž stroje v příští generaci. Tato práce zaznamenává jednotlivé kroky během všech fází vývoje elektrického stroje s axiálním tokem, počínaje výběrem konceptu stroje, konče sumarizací zkušeností získaných z první generace prototypu tohoto stroje.

In More Electric Aircraft, different power system activities are attributed to electrical means such as the start-up of the main engine. In this context, the study of the sensorless control of the Brushless Synchronous Starter Generator (BSSG) that is used to electrically start the main engine is revealed to be a very interesting issue. For long time, the elimination of the mechanical sensor was highly recommended for reliability, cost, weight, integration issues.Hence, this work aims to transpose the results obtained in the research area to an avionic testbench. It presents an adaptive sensorless technique to use when electrically starting the main engine of the aircraft. This is achieved by elaborating three different methods selected depending on the speed of the machine and based on the :- injection of a high frequency signal- use of the back-emf of the Permanent Magnet Generator (PMG)- use of the extended Kalman Filter EKFIn this work, it is shown that the …first method gives good position estimation results from standstill up to 8% of the rated speed. Then, the back-emfs of the PMG are used to detect the position of the BSSG when the speed exceeds the 8% of the rated speed. Good results are observed with this method at medium and high speed.For redundancy reasons, the EKF was also used in this work. Thus, the estimated position can be delivered via two different estimation algorithms in medium and high speed region.The implementation of the algorithm was achieved on an FPGA board since the latter can ensure a very tiny execution time. The fastness of the treatment ensures quasi-instantaneous position estimation and does not practically introduce any phase lag in the position estimation. / Aujourd'hui, l'aviation est en train de vivre des évolutions technologiques concernant surtout l'attribution de différentes fonctionnalités aux équipements électriques et ceci au détriment d'équipements hydrauliques et mécaniques assurant les mêmes fonctionnalités.Dans le cadre de l'avion plus électrique, le démarrage électrique sans capteurs mécaniques de la turbine de l'avion préoccupe les avionneurs de nos jours. Les problèmes introduits par ce capteur ont été identifiés : problèmes de coût et de poids, problèmes de fiabilité et d'intégration.Ce travail présente alors une commande sans capteurs pour la machine synchrone à trois étages à utiliser durant le démarrage électrique de l'avion. Ceci est réalisé avec trois méthodes de détection de la position selon la vitesse de rotation, basées sur :- l'injection d'un signal à haute fréquence- l'utilisation d'un filtre de Kalman étendu FKE- les fém. du PMG (Permanent Magnet Generator) La première méthode donne de bons résultats d'estimation depuis l'arrêt jusqu'à 8% de la vitesse nominale de la machine. Au-delà de cette vitesse, es valeurs des fém. du PMG deviennent assez élevées pour être utilisées dans l'estimation de la position. De bons résultats sont obtenus à moyenne et haute vitesse.Pour des questions de redondance, le FKE est aussi utilisé. Ainsi, la position estimée peut être fournie par l'un des deux algorithmes à moyenne et haute vitesse.L'implémentation de ces algorithmes est réalisée via une carte FPGA étant donné que celui-ci garantit un temps d'exécution. La rapidité de traitement garantit une estimation de la position quasi-instantanée et donc n'introduit pratiquement pas des retards dans l'estimation.

<p>In the process of designing an electric power supply system for an aircraft, parameters like low weight and low losses are important. Reliability, robustness and low cost are other important factors. In the Saab Gripen aircraft, the design of the primary power supply of the electric flight control system was updated by exchanging a switching transistor regulator to a magnetic amplifier (magamp). By introducing a magamp design, weight was saved and a more reliable power supply system at a lower cost was achieved.</p><p> In this particular case, with the power supply of the electric flight control system in the Saab Gripen fighter, advantage could be taken of a specific permanent magnet generator (PM-generator). The frequency of the generator offered the perfect conditions for a magamp controller. A key parameter in designing magnetic amplifiers (magamps) is low losses. New amorphous alloys offer new possibilities of the technique in designing magnetic amplifiers, because of their extremely low losses.</p><p> The core losses are evaluated by studying the equations and diagrams specifying the power losses. The core losses are evaluated and compared with the copper losses in the process of optimizing low weight and low losses. For this an engineering tool is developed and demonstrated.</p><p> Evaluations of the hysteresis characteristics for the magnetic alloys, as well as modeling and simulation of the core losses, are presented in this work. The modeling of the core losses includes hysteresis losses, eddy current losses and excess losses as well as copper losses. The losses are studied dynamically during realistic operational conditions. The model can be used for any generic analysis of hysteresis in magnetic circuits. Applications of magnetic amplifiers in aircrafts have been demonstrated to be a feasible alternative</p>

In the process of designing an electric power supply system for an aircraft, parameters like low weight and low losses are important. Reliability, robustness and low cost are other important factors. In the Saab Gripen aircraft, the design of the primary power supply of the electric flight control system was updated by exchanging a switching transistor regulator to a magnetic amplifier (magamp). By introducing a magamp design, weight was saved and a more reliable power supply system at a lower cost was achieved. In this particular case, with the power supply of the electric flight control system in the Saab Gripen fighter, advantage could be taken of a specific permanent magnet generator (PM-generator). The frequency of the generator offered the perfect conditions for a magamp controller. A key parameter in designing magnetic amplifiers (magamps) is low losses. New amorphous alloys offer new possibilities of the technique in designing magnetic amplifiers, because of their extremely low losses. The core losses are evaluated by studying the equations and diagrams specifying the power losses. The core losses are evaluated and compared with the copper losses in the process of optimizing low weight and low losses. For this an engineering tool is developed and demonstrated. Evaluations of the hysteresis characteristics for the magnetic alloys, as well as modeling and simulation of the core losses, are presented in this work. The modeling of the core losses includes hysteresis losses, eddy current losses and excess losses as well as copper losses. The losses are studied dynamically during realistic operational conditions. The model can be used for any generic analysis of hysteresis in magnetic circuits. Applications of magnetic amplifiers in aircrafts have been demonstrated to be a feasible alternative / QC 20101103