Les travaux présentés ici portent sur le dimensionnement et l’étude d’une machine à réluctance variable excitée par un courant continu homopolaire de type``Lyndell´´. De telle structure connaît un regain d’intérêt avec de nouvelles topologies pour des applications spécifiques. Dans le cas des travaux présentés, l’application visée est la conversion d’énergie éolienne avec un stockage inertiel. Cette machine a une bobine d’excitation qui est solidaire du stator et située entre les pôles saillants. Le rotor est massif et comporte deux paires de pôles dont les axes polaires peuvent être parallèles ou perpendiculaires. Le stator possède deux enroulements sur deux demi-stators de machine classique dont l’un est fixe et l’autre orientable manuellement suivant l’axe de rotation du rotor. Cette possibilité d’orientation permet à la machine d’être équipée de l’un ou l’autre des deux types de rotor. Le dimensionnement et l’étude de cette machine sont basés sur le modèle des réseaux de perméances. L’élaboration du modèle, par une subdivision de la structure étudiée en zones à induction homogène, est effectuée à partir de l’analyse des lignes de champ obtenues par la méthode des éléments finis bidimensionnels pour l’ensemble « dent - entrefer - encoche », et les autres parties de la machine (culasse, rotor) sont tridimensionnels. Ces éléments finis constituent également la référence pour valider le modèle développé et pour vérifier le niveau de saturation de la machine. Le modèle par réseaux de réluctance est ensuite utilisé pour dimensionner un prototype, à pôles parallèles ou en quadrature et pour en étudier les performances à vide et en charge. Enfin, le prototype réalisé est étudié pour les deux types de rotor. Les résultats expérimentaux, comparés aux calculs de simulation, montre des concordances très satisfaisantes / The work presented here is devoted to the dimensioning and the study of a switched reluctance machine excited by a homopolar D.C. current of Lyndell type. Such structure knows a renewed interest with new topologies for specific applications. In the case of work had presented, the application concerned for is the wind energy transformation with an inertial storage. The field coil of the machine placed in the stator and is located between the rotor salient poles. The rotor is massive and comprises two pairs of poles. These poles have parallel or perpendicular axes. The stator has two windings placed on two classical half-stators, one of which is fixed and the other is manually adjustable along the axis of rotation of the rotor. This orientation allows the machine to be equipped with one or the other of two types of rotor. The dimensioning and the study of this machine are based on the model of the reluctance network. The development of the model, by a subdivision of the studied structure into homogeneous induction zones, is made from the flux lines obtained by the two-dimensional finite element method for whole tooth-air-gap-slot, and the other parts of the machine (stator breech, rotor) are three-dimensional. The finite element methods also constitute the reference to validate the developed model and check the saturation level of the machine. The reluctance network model is then used for sizing a prototype with the parallel or perpendicular poles and for studying the performances in no load and with load machine. Finally, the realised prototype is studied for both types of rotor. The experimental results compared with the simulation show very satisfactory concordances

Frequency response analysis (FRA) is a frequency-domain method which is used to detect mechanical faults in transformers. The frequency response of a transformer is determined by its geometry and material properties, and it can be considered as the transformer’s fingerprint. If there are any mechanical changes in the transformer, for example if the windings are moved or distorted, its fingerprint will also be changed so, theoretically, mechanical changes in the transformer can be detected with FRA. A problem with FRA is the fact that there is no general agreement about how to interpret the measurement results for detection of winding damages. For instance, the interpretation of measurement results has still not been standardized.The overall goal of this thesis is to try to enhance the understanding of the information contained in FRA measurements. This has been done in two ways: (1) by examining the FRA method for (much) higher frequencies than what is usual, and (2) by developing a new method in which FRA is combined with the ideas of Time Domain Reflectometry (TDR). As tools for carrying out the above mentioned steps, models for the magnetic core and the winding have been developed and verified by comparison to measurements.The usual upper frequency limit for FRA is around 2 MHz, which in this thesis has been extended by an order of magnitude in order to detect and interpret new phenomena that emerge at high frequencies and to investigate the potential of this high-frequency region for detection of winding deteriorations.Further, in the above-mentioned new method developed in this thesis, FRA and TDR are combined as a step towards an easier and more intuitive detection and localization of faults in transformer windings, where frequency response measurements are visualized in the time domain in order to facilitate their interpretation. / QC 20111122

Du fait de sa robustesse et de son faible coût, la machine synchro-réluctante (MSR) constitue une alternative intéressante à la machine asynchrone. A pertes égales, une MSR bien optimisée offre un couple et par suite un rendement plus élevés. Ainsi, la MSR est très compétitive pour les applications à haute vitesse, à forte puissance ou à haute température. Cette thèse se propose d’optimiser les machines synchro-réluctantes à rotor massif et avec barrières de flux pour produire le maximum de couple avec un facteur de puissance le plus élevé possible. Pour cela, une modélisation originale utilisant des réseaux de perméances non linéaires a été mise au point pour les deux types de MSR. Les modèles proposés sont significativement plus rapides et aussi précis que les modèles par éléments finis. De plus, la réalisation d’un prototype à barrières de flux a permis de les valider expérimentalement. / Because of its robustness and its low cost, the synchronous reluctance motor (SynRM) is an interesting alternative to the induction motor. At equal losses, a correctly optimized SynRM offers a higher torque and then a higher efficiency. Thus, the SynRM is very comptetitive for high speed, high power or high temperature applications. This thesis intends to optimize massive rotor and flux barrier rotor SynRM to produce the maximum torque with the highest possible power factor. For this purpose, an original non linear reluctance network modeling of synchronous reluctance motors with a massive or a flux barrier rotor was developed. The proposed models are significantly faster than the finite element ones and take accurately into account the saturation of all ferromagnetic parts of the motor. The construction of a flux barrier rotor prototype allowed an experimental validation of the modeling approach.

DC currents that flow through the ground can be injected to the star windings of power transformers from their grounded neutral points and close their path with transmission lines. The geomagnetically induced currents (GICs) and AC/DC convertors of high voltage direct current (HVDC) systems are the sources of such DC currents. These currents may cause saturation of the core in power transformers that leads to destruction in the transformer performance. This phenomenon results in unwanted influences on power transformers and the power system. Very asymmetric magnetization current, increasing losses and creation of hot spots in the core, in the windings, and the metallic structural parts are adverse effects that occur in transformers. Also, increasing demand of reactive power and misoperation of protective relays menaces the power network. Damages in large power transformers and blackouts in networks have occurred due to this phenomenon Hence, studies regarding this subject have taken the attention of researchers during the last decades. However, a gap of a comprehensive analysis still remains. Thus, the main aim of this project is to reach to a deep understanding of the phenomena and to come up with a solution for a decrease of the undesired effects of GIC. Achieving this goal requires an improvement of the electromagnetic models of transformers which include a hysteresis model, numerical techniques, and transient analysis. In this project until now, a new algorithm for digital measurement of the core materials is developed and implemented. It enhances the abilities of accurate measurements and an improved hysteresis model has been worked out. Also, a novel differential scalar hysteresis model is suggested that easily can be implemented in numerical methods. Three dimensional finite element models of various core types of power transformers are created to study the effect on them due to DC magnetization. In order to enhance the numerical tools for analysis of low frequency transients related to power transformers and the network, a distributed reluctance network method has been outlined. In this thesis a method for solving such a network problem with coupling to an electrical circuit and taking hysteresis into account is suggested. / <p>QC 20121121</p>

Le moteur Stirling a été développé il y’a 200 ans. Cependant son développement n’a jamais connu un grand essor. Le contexte énergétique actuel a relancé l’intérêt porté à ces machines. En effet la possibilité de le faire fonctionner à partir de n’importe quelle source de chaleur externe lui permet d’être associé à des sources d’énergie renouvelable comme l’énergie solaire. Au-delà des avantages écologiques, le développement par W. Beale à la fin des années 1960 d’un moteur Stirling à pistons libres (ou FPSE pour Free Piston Stirling Engine) a ajouté de nouveaux intérêts à un tel moteur. Cette nouvelle architecture permet au moteur de fonctionner sans système d’entrainement des pistons. Dans de telles machines, le mouvement des pistons n’est plus déterminé par la géométrie du système d’entrainement. Ces derniers sont mis en mouvement par les forces de pressions occurrents à l’intérieur du moteur. La dynamique des pistons et la thermodynamique du système sont alors couplées, rendant plus complexe la modélisation complète du système.Cette thèse présente une nouvelle technique de modélisation des machines Stirling à pistons libres, intitulée LHA5V pour Linear Harmonic Analysis 5 Volumes, permettant de coupler la thermodynamique du système et la réponse mécanique des pistons libres. Celle-ci repose alors sur la décomposition du moteur Stirling en cinq sous systèmes ouverts : deux espaces à volume variables, deux échangeurs de chaleur et le régénérateur. Nous supposons que les variables d’état varient périodiquement et le modèle détermine comment celles-ci varient en valeur moyenne, en amplitude et en phase afin de satisfaire les équations de conservation de la masse et de l’énergie. L’aspect innovant du modèle thermique repose sur la prise en compte implicite des pertes inhérentes au fonctionnement. Celles-ci ont en effet un impact direct sur le mouvement des pistons. Par ailleurs cette thèse présente également un modèle de génératrice électrique linéaire pouvant être couplé à la partie thermique. Le modèle électrique repose sur un calcul analytique de la force de poussée du stator sur la partie mobile. Le calcul des flux et du niveau d’induction dans le circuit magnétique est effectué à partir d’un réseau de perméances judicieusement paramétré.Que ce soit pour la modélisation thermique ou la modélisation électrique, chacun des modèles a été conçu pour avoir un temps de calcul faible, tout en restant le plus précis possible sur la prédiction des performances. Ceux-ci ont à chaque fois été confrontés à des données expérimentales, ou à d’autres techniques de modélisation plus fines de façon concluante. / Though the Stirling engine was invented two centuries ago, it has never really grown to a fully marketable level. The current energy context has renewed the interest in this engine. Their ability to work with any external source of heat allow them to be associated with renewable energy such as solar energy. Beyond its ecological benefits, the invention of the free piston Stirling engine by W. Beale at the end of the 1960’s further increased the interest in Stirling engines. This novel structure allows the engine to operate without mechanical interface between pistons, which are driven entirely by the gas or other spring forces. In such engines, the pistons kinematics and the system thermodynamics are intimately coupled, thus increasing the complexity of the complete system computer modelling.This PhD presents an innovative technique to model a free piston Stirling engine that takes into account the coupling between the system thermodynamics and the mechanical response of the free pistons. This technique has been named LHA5V standing for Linear Harmonic Analysis 5 Volumes. It consists in splitting the engine in five open sub-systems: the compression and expansion spaces, the heater, the cooler and the regenerator. We hypothesize that the state variables are periodic, and the model then determines the variations of their mean, amplitude and phase values in order to satisfy the mass and energy conservation equations. This PhD also presents a model for a linear electric alternator, which can be coupled to the power piston. This electrical model is based on an analytical calculation of the thrust between the stator and the magnets. Magnetic flux and induction in the iron are determined by a carefully tuned reluctance network.Both thermal and electrical models have been designed to optimize both computing time and accuracy. The models generated have systematically been compared to experimental data or finite element analysis, with satisfactory results.

Ce mémoire de thèse constitue une contribution à l'investigation des génératrices destinées à une application éolienne en mer. Le but est de rechercher les solutions optimales dans un domaine de recherche vaste contenant entre huit et onze variables d'optimisation, tout en respectant un cahier de charge bien précis. Afin d'y parvenir, un modèle multi-physique a été développé permettant la détermination des distributions du champ électromagnétique et de température dans les topologies de génératrices choisies avec prise en considération des non-linéarités des matériaux. La méthode des constantes localisées couplée aux fonctions d'interpolations a été choisie comme solution offrant un bon rapport temps de calculs/précision, prenant ainsi en considération les caractéristiques des matériaux (thermiques et magnétiques). Le modèle développé a été couplé à un algorithme d'optimisation génétique, NSGAII, permettant dans un premier temps ; d'investiguer le poids nécessaire des aimants permanents et des parties actives de deux topologies de génératrices synchrones à aimant permanent où dans la première les aimants sont montés en surfaces et dans la seconde insérés en concentration de flux, trois puissances différentes ont été investiguées 5, 8 et 15 [MW]. Dans un second temps, l'intégration d'un multiplicateur de vitesse magnétique dans la chaîne de conversion éolienne a été étudiée à travers la même approche optimale utilisée précédemment tout en comparant le poids nécessaires des aimants permanents pour ce type d'entrainement avec celle des topologies à attaque directe (sans multiplicateur de vitesse). / The aim of this PhD report is the investigation of electrical generators dedicated to an offshore wind turbine application. The main goal is to find optimal solutions in a vast research domain containing between eight and eleven optimization variables, while respecting a the imposed constraints. In order to achieve this goal, a multi-physics model was developed allowing the determination of the electromagnetic and temperature fields distributions in the selected topologies. Lumped models coupled to the interpolation functions were chosen as a solution offering a good computation time / precision ratio, thus taking into consideration the characteristics of the materials (thermal and magnetic). The developed model was coupled to a genetic optimization algorithm, NSGAII, allowing at first; the investigation of the necessary permanent magnets weight and the active parts one of two permanent magnet synchronous generator topologies where in the first the magnets are mounted in surfaces and in the second inserted in order to have flux concentration, three different powers have been investigated 5, 8 and 15 [MW]. Second, the integration of a magnetic gear in the wind energy conversion chain was studied using the same optimal approach previously used, while comparing the weight required of permanent magnets for this type of training with that of direct drive topologies (without gearbox).

Les travaux de cette thèse portent sur la méthodologie de conception des Machines Synchrones à Aimants Permanents (MSAP) avec pour application le véhicule électrique. Dans une première partie, nous avons abordé du contexte de l'étude et de la problématique du dimensionnement. A l'occasion, nous avons montré qu'il est nécessaire d'adopter une méthodologie de design appropriée en fonction de l'avancement de chaque projet dans le cadre du processus de conception. Nous avons alors proposé différents niveaux de modélisation afin de repérer la machine optimale face au cahier des charges pour ensuite la caractériser plus finement et l'optimiser. La seconde partie du rapport traite donc de la modélisation et de l'optimisation de la MSAP. En premier lieu, un modèle analytique permet d'évaluer les performances globales des centaines de machines très rapidement. Ce premier calcul permet de sélectionner les meilleures machines à l'application pour ensuite les optimiser. Puis, le second niveau de modélisation se base sur les réseaux de réluctances. Ce niveau plus fin permet d'une part de retrouver les performances affinées des MSAP et également de procéder à l'optimisation. Enfin, la dernière partie du rapport est consacrée à l'optimisation de la MSAP en vue d'améliorer grandement les performances et de satisfaire au mieux au cahier des charges. / The works of this thesis concern the design methodology of Permanent Magnet Synchronous Machine (PMSM) for an electric vehicle application. The first part of this report introduces the context of the study and the problem of design. Then, we have shown that it is necessary to adopt an appropriate design methodology based on the progress of each project in the design process. Thus, we proposed different levels of modeling to identify the optimal machine against the specifications, and then characterize it more finely and optimize. The second part of the report deals with the modeling and optimization of the PMSM. First, an analytical model is employed to evaluate the overall performance of hundreds of machines very quickly. The first calculation is used to select the best machine for the application and then optimize them. Then, the second level of modeling is based on reluctance networks. This model allows finer resolution of the PMSM and also permits to perform optimization. The last part of the report is devoted to the optimization of the PMSM in order to greatly improve performances and meet the specifications.

Geomagnetic disturbances that result from solar activities can affect technological systems such as power networks. They may cause DC currents in power networks and saturation of the core in power transformers that leads to destruction in the transformer performance. This phenomena result in unwanted influences on power transformers and the power system. Very asymmetric magnetization current, increasing losses and creation of hot spots in the core, in the windings, and the metallic structural parts are adverse effects that occur in transformers. Also, increasing demand of reactive power and malfunction of protective relays menaces the power network stability. Damages in large power transformers and blackouts in networks have occurred due to this phenomenon. Hence, studies regarding this subject have taken the attention of researchers during the last decades. However, a gap of a comprehensive analysis still remains. Thus, the main aim of this project is to reach to a deep understanding of the phenomena and to come up with a solution for a decrease of the undesired effects of GIC. Achieving this goal requires an improvement of the electromagnetic models of transformers which include a hysteresis model, numerical techniques, and transient analysis. In this project, a new algorithm for digital measurement of the magnetic materials is developed and implemented. It enhances the abilities of accurate measurements and an improved hysteresis model has been worked out. Also, a novel differential scalar hysteresis model is suggested that easily can be implemented in numerical methods. Two and three dimensional finite element models of various core types of power transformers are created to study the effect of DC magnetization on transformers. In order to enhance the numerical tools for analysis of low frequency transients related to power transformers and the network, a novel topological based time step transformer model has been outlined. The model can employ a detailed magnetic circuit and consider nonlinearity, hysteresis and eddy current effects of power transformers. Furthermore, the proposed model can be used in the design process of transformers and even extend other application such as analysis of electrical machines. The numerical and experimental studies in this project lead to understanding the mechanism that a geomantic disturbance affects power transformers and networks. The revealed results conclude with proposals for mitigation strategies against these phenomena. / <p>QC 20150210</p>

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la conception et le dimensionnement de composant magnétique dédié au transfert d'énergie sans contact pour des applications ferroviaires de type tramway. Cette famille de composant présente un comportement fortement inductif. Un convertisseur à double fréquence de résonance est utilisé pour l'alimenter et compenser l'énergie réactive du coupleur. Pour parvenir à dimensionner ce composant et son convertisseur associé, un outil d'aide au dimensionnement a été mis au point. Celui-ci est basé sur des modèles analytiques du composant magnétique et de la structure d'électronique de puissance. Une fois le dimensionnement réalisé, une étude des pertes, dans les bobinages et les circuits magnétiques, est réalisée par simulation numérique en utilisant la méthode d'homogénéisation (représentation macroscopique des éléments avec des propriétés électromagnétiques complexes). Puis, la modélisation du comportement thermique du système est présentée afin de garantir la température de fonctionnement désirée. Afin de valider l'approche de dimensionnement et les outils mis en place, des expérimentations ont été menées sur des prototypes de 1,6 et 100 kW. Les résultats obtenus ont montré la précision et la pertinence de l'approche théorique. Cette étude valide la faisabilité de ce type de système forte puissance. / The works presented in this thesis deal with the design and the sizing of magnetic component dedicated to contactless energy transfer for railway application like tramway. This family of component presents a strongly inductive behavior. A double resonance converter is used to supply and compensate reactive energy of transformer. In order to design this component and its associated converter, a design tool has been implemented. This one is based on analytical models of magnetic component and power electronic converter. One time designing realized, a study of losses, in windings and in magnetic cores, is realized by numerical simulation by using homogenization method (macroscopic representation of elements with electromagnetic complex properties). Then, the establishment of a model of thermal behavior of system is presented in order to guarantee desired working temperature. In order to check designing approach and tools, experimentations have been performed on prototypes of 1.6 and 100 kW. Obtained results show the accuracy and relevance of theoretical approach. Moreover, this study confirms the feasibility of this kind of high power system.

Cette thèse s’inscrit dans une thématique de recherche prioritaire développée par le laboratoire GREAH et portant sur l’optimisation de l'efficacité énergétique des systèmes de gestion et de production de l’énergie électrique. Dans ce cadre, les performances de convertisseurs d’énergie (machines électriques pour la conversion de l'énergie électromécanique) ont un impact déterminant sur l'efficacité énergétique de la conversion et sur la qualité de gestion de l'énergie électrique en termes de rendement, de maximisation de la puissance massique, de réduction des émissions, de réduction des coûts, ce qui nécessite, par conséquent, un effort particulier de conception et de dimensionnement. L’objectif principal de cette thèse vise à développer un modèle léger permettant d’exploiter assez rapidement l’espace des solutions potentiellement optimales dans la première phase de la conception des machines synchrones à aimants permanents. Les travaux présentés dans ce mémoire de thèse portent sur la modélisation électromagnétique pour le pré-dimensionnement et la conception des machines synchrones à aimants permanents intégrées dans l’éolien de fort puissance. Dans ce manuscrit, deux approches de modélisation des machines électriques ont été proposées. La modélisation par réseau de réluctances présentée consiste à découper le domaine d’étude en un certain nombre d’éléments volumiques dont chacun est décomposé en tubes de flux. La modélisation analytique hybride proposée est basée sur un couplage fort entre un réseau de réluctances généré à partir d’un maillage du domaine d’étude et une solution formelle des équations de Maxwell dans les régions de faible perméabilité (entrefer magnétique). Les résultats obtenus à partir de ces modèles sont validés par les résultats correspondants issus de la méthode des éléments finis. Pour montrer le gain obtenu en temps de calcul, les temps d’exécutions des codes de calcul sont comparés aux temps mis par le logiciel Flux. / This subject of the thesis is part of a priority research theme developed by the GREAH laboratory on the optimization of the energy efficiency of electrical energy management and production systems. In this context, the performance of energy converters (electrical machines for the conversion of electromechanical energy) have a decisive impact on the energy efficiency of the conversion and on the quality of electrical energy management in terms of efficiency, reduction of emissions, reduction of costs, which therefore requires a special effort to design. The main objective of this thesis is to develop a light model allowing to exploit fairly quickly the space of potentially optimal solutions in the first phase of machine design. The work presented in this thesis focuses on electromagnetic modeling for the pre-design of permanent magnets synchronous machines integrated into high power wind turbines. In this manuscript, two modeling approaches of electric machines have been proposed. The presented reluctance network modeling is generated from the mesh of studied domain as the finite element method. Reluctance elements are used for the mesh. The proposed hybrid analytical modeling is based on a strong coupling between a reluctances network generated from a mesh of the study domain and analytical models based on the formal solution of Maxwell’s equations in regions of low permeability (magnetic gap). This approach can help solve the problem of air-gap modeling in MEC method, and the consideration of the local magnetic saturation in modeling approaches involving analytical technique. The results obtained from these models are validated by the corresponding results from the finite element method and very good has been observed. To indicate the gain obtained in time, the execution times of the programs are compared to the times set by the Flux software.