No description available.

Electrical Submersible Pumping (ESP) is a well known artificial lift technique in reservoirs having high-water cut and low gas-oil ratio. It is known as an effective and economical method of producing large volumes of fluid under different well conditions. ESP equipments are capable of producing in a range of 200 b/d to 60.000 b/d. A case study was done, by designing 10 deviated or horizontal wells selected from the Y-oilfield in Western Siberia. SubPUMP software developed by IHS Energy is used for designing the ESP systems of these wells. These 10 wells will be working with variable speed drives. After selecting the available equipment from the inventory, the best running frequencies are selected for these wells. Evaluations of the designs are made from the pump performance graphs of each well. The pumps should work within their optimum efficiency ranges. These ranges can be seen from the pump performance curves. If the designs made are not within these efficiency ranges, designs should be evaluated and selecting new equipment should be should be an option. Because working outside the optimum efficiency ranges will decrease the production, shorten the runlifes of the pumps and the production will not be stable.

La topologie modulaire multiniveaux est une structure d'électronique de puissance construite par la mise en série de sous-modules identiques, composés chacun d'une cellule de commutation et d'un condensateur. Un tel système de conversion pouvant comporter un grand nombre de cellules permet d'augmenter le rendement global et la qualité des signaux en sortie. De plus, il permet d'utiliser des composants basse tension présentant un meilleur comportement dynamique et un rapport qualité-prix bien supérieur aux composants moyenne tension. Il permet également, par rapport aux structures conventionnelles, une grande souplesse pour la conception et la fabrication du fait de son aspect modulaire, tout en s'affranchissant d'un transformateur volumineux et onéreux en entrée. Comparé aux autres types de topologies, avantageuses avec un nombre limité de niveaux, le convertisseur modulaire multiniveaux semble être mieux adapté aux applications en moyenne et haute tensions, qui sont tributaires de l'association des composants de puissance. Néanmoins, pour la variation de vitesse, un certain nombre de défis technologiques ont été mis en évidence, compte tenu du fonctionnement particulier de l'onduleur modulaire multiniveaux et des contraintes imposées par l'opération en très basse fréquence. En le fonctionnement normal, la forme d'onde des courants internes, contrairement aux autres types de topologies, n'est pas symétrique en raison de la distribution du courant direct dans chaque bras. Cela entraîne une disparité significative en termes de dissipation thermique parmi les interrupteurs constituant un sous-module. Avec le choix d'une technologie de packaging 3D, la possibilité de refroidir les puces semi-conductrices en double-face offre une meilleure capacité de refroidissement et une nouvelle perspective de conception des modules pour cette application. Un nouveau concept de report de puces est présenté et un prototype de tel module a été réalisé, modélisé et caractérisé. Il permet d'équilibrer globalement la chaleur dissipée par les puces sur les deux faces du module, problème inhérent à l'emploi de structure 3D. Conjugué à la mutualisation d'un interrupteur par deux puces en parallèle, la nouvelle architecture a aussi pour objectif d'équilibrer le refroidissement double-face dans le temps. En effet, pour les opérations en basse fréquence, les interrupteurs fonctionnent en régime instationnaire avec de forte variation de température, il n'est donc plus possible de compenser les effets thermomécaniques de chaque composant l'un par l'autre, comme en régime stationnaire et avec un positionnement planaire des puces. D'autre part, d'un point de vu systémique, la stratégie de commande et le dimensionnement des condensateurs flottants de l'onduleur modulaire multiniveaux sont deux aspects intimement liés. En effet, les condensateurs flottants sont le siège d'ondulations de tension de très forte amplitude. Cela a pour effet de déstabiliser l'onduleur, voire de provoquer la destruction des composants en atteignant des niveaux de tension trop élevés. Ainsi, des contrôleurs judicieusement conçus permettent de réduire les ondulations indésirables, et a fortiori, d'embarquer des capacités moins importantes dans le système, tant que ces dernières sont inversement proportionnelles à l'ondulation de la tension. Afin d'avoir une compréhension approfondie sur les dynamiques régissant le convertisseur modulaire multiniveaux, un modèle dynamique global basé sur la représentation d'état a été établi. Bien que cette représentation soit limitée à l'harmonique 2 des grandeurs caractéristiques, elle permet une fidèle interprétation du mécanisme de conversion sans passer par des modèles énergétiques bien plus complexes à exploiter, et de proposer des lois de commande montrant leur efficacité notamment autour de la fréquence nominale. Cela a été vérifié sur une maquette de puissance réalisée dans le cadre de cette thèse. / Multilevel modular topology converts energy between two direct and alternative endings. This structure is constructed by the series connection of identical sub-modules, composed of a switching cell and a floating capacitor, and with arm inductors. Such a conversion system may reach a large number of levels increases the overall efficiency and quality of the output signals. In addition, it allows the use of low voltage components with better dynamics and cost effectiveness above the high voltage components. It also allows flexibility in the work of design and manufacture due to its modularity, while avoiding a bulky and expensive input transformer, regarding the conventional technology. Compared with other types of topologies, advantageous with a limited number of levels, the modular multilevel converter seems to be more suited for medium and high voltage applications, which are dependent on the association of power components. However, for variable speed drive application, a certain number of technological challenges have been highlighted, given the specific functional characteristics of the modular multilevel inverter and the constraints imposed by the very low frequency operation. On the one hand, for the normal operation of a multilevel modular converter, the waveform of the internal currents, in contrast to other types of topologies, is not symmetrical due to the distribution of the direct current in each phase leg. This may entail a significant disparity in terms of heat dissipation within the switching devices constituting a sub-module. Therefore, the problem of thermal management of active components is emphasized in the use of a modular multilevel converter. With the choice of a 3D packaging technology, interconnection by bumps, the ability to cool the semiconductor chips through the both sides of a module offers better cooling effects and a new perspective to design the power module for the studied structure. The concept of laying chips on both the two substrates of module without facing each other provides overall balanced dissipation in the space and permit to overcome the unbalanced heat distribution induced by bumps. Combined with the sharing of a switch by two chips in parallel, the proposal of the new architecture for 3D power module also aims to balance the double-sided cooling in the time range. Indeed, for the very low frequency operation, the switches operate in unsteady state where each switch has its own thermal behavior, it is no longer possible to compensate the thermo-mechanical constraints over each component with the help of the others, as in steady state and with a planar chips positioning scheme. On the other hand, from a systemic point of view, the control strategy and the dimensioning of floating capacitors of modular multilevel inverter are two interrelated aspects. Because the floating capacitors, having the role of energy sources, are loaded / unloaded through the modulation period, which causes very high voltage ripples across those capacitors with a very low frequency. This will destabilize the inverter and even provoke the destruction of components by approaching too high voltage levels. Thus, wisely designed controllers reduce unwanted ripples and, furthermore, allow embarking much smaller capacity in the system, as they are inversely proportional to the voltage ripple. In order to have a thorough understanding on the dynamics governing the modular multilevel converter, a comprehensive dynamic model based on state-space representation was established. Although this representation is limited to the second harmonic of characteristic variable, it allows a faithful interpretation of the conversion mechanism without using energy models, more complex to operate, and control laws can also be proposed and their effectiveness around the nominal frequency has been underlined. Concerning the very low frequency operations, another solution has been proposed and is ongoing patent pending.

This dissertation presents a pumping system operation efficiency improvement solution that includes optimal selection and control of the water pump. This solution is formulated based on the performance, operation, equipment and technology (POET) framework. The focus is on the minimization of the operational energy cost. This efficiency improvement solution is divided into three stages in accordance with the operation category of the POET framework. The first stage is to select the optimal pump capacity by considering both energy efficiency and load shifting requirements. The second stage is to develop a flexible pump controlling strategy that combines and balances the contributions from energy efficiency and load shifting. The last stage is to improve the robustness of the control system using the closed-loop model predictive control approach. An optimal pump capacity selection model is formulated. In this model, additional capacity requirements for load shifting are considered along with the traditional energy efficiency requirements. By balancing the contributions from load shifting and energy efficiency, the operational energy cost can be reduced by up to 37%. An optimal pump control is formulated. The objective of this control model is to balance the energy efficiency and load shifting contributions during the operation and minimize the operational energy cost. This control model is tested under different operational conditions and it is compared to other existing control strategies. The simulation and comparison results show that the proposed control strategy achieves the lowest operational energy cost in comparison to other strategies. This optimal pump control model is further modified into the closed-loop model predictive control format to increase the robustness of the control system under operation uncertainties. A mixed integer particle swarm optimization algorithms is employed to solve the optimization problems in this research. AFRIKAANS : Hierdie verhandeling bied ’n verbeterde oplossing vir die operasionele doeltreffendheid van pompstelsels wat die optimale keuse en beheer van die waterpomp insluit. Hierdie oplossing is geformuleer op ’n raamwerk wat werkverrigting, bedryf, toerusting en tegnologie in ag neem. Die oplossing fokus op die vermindering van bedryfsenergie koste. Hierdie oplossing is onderverdeel in drie fases soos bepaal deur die bedryfskategorie gegrond op die bogenoemde raamwerk: Die eerste fase is die keuse van die optimale pompkapasiteit deur beide energiedoeltreffendheid en lasverskuiwing in ag te neem. Die tweede fase is om ’n buigbare pompbeheer strategie te ontwikkel wat ’n goeie balans handhaaf tussen die onderskeie bydraes van energiedoeltreffendheid en lasverskuiwing. Die derde fase is om die stabiliteit van die beheerstelsel te verbeter deur gebruik te maak van ’n geslote-lus beheermodel met voorspellende beheer (Predictive Control). ’n Model vir die keuse van optimale pompkapasiteit is geformuleer. In hierdie model word vereistes vir addisionele pompkapasiteit vir lasverskuiwing sowel as vereistes in terme tradisionele energiedoeltreffendheid in ag geneem. Deur die regte verhouding tussen die onderskeie bydraes van energiedoeltreffendheid en lasverskuiwing te vind kan ’n besparing van tot 37% op die energiekoste verkry word. Optimale pompbeheer is geformuleer. Die doel van die beheermodel is om die bydraes van energiedoeltreffendheid en lasverskuiwing te balanseer en om die bedryfsenergie koste te minimiseer. Hierdie beheermodel is getoets onder verskillende bedryfstoestande en dit is vergelyk met ander bestaande beheerstrategiee. Die simulasie en vergelyking van resultate toon dat die voorgestelde beheerstrategie die laagste bedryfsenergie koste behaal in vergelyking met ander strategiee. Hierdie optimale pomp beheermodel is verder aangepas in ’n geslote beheermodel met voorspellende beheerformaat om die stabiliteit van die beheerstelsel te verbeter onder onsekere bedryfstoestande. ’n Gemende heelgetal partikel swerm optimisasie (Mixed interger particle swarm optimization) algoritme is gebruik om die optimiseringsprobleme op te los tydens hierdie navorsingsoefening. / Dissertation (MEng)--University of Pretoria, 2011. / Electrical, Electronic and Computer Engineering / Unrestricted

Depuis une bonne dizaine d'année, l'aéronautique a entamé sa mutation vers le "plus électrique".L'objectif étant de réduire la consommation de carburant, une des contraintes majeures de ces nouvelles solutions est de réduire la masse embarquée. Les filtres dimensionnés pour les convertisseurs statiques doivent donc être optimisés au mieux vis-à-vis de ce critère, ainsi que du volume. Il y a donc un fort besoin du côté des concepteurs d’avions de savoir quels choix parmi les différentes possibilités technologiques sont optimaux, et de connaître l'impact de ces choix sur le poids, le coût global et le volume de l'équipement. Le filtre CEM représente généralement environ 30% du coût et du volume d'un convertisseur électronique de puissance. Il va de soi que le volume et/ou la masse de ces filtres doit être optimisé. L'impact de la loi de commande du convertisseur, le choix des semi-conducteurs, du packaging, câbles (longueur et intégration dans l’avion), des machines électriques,...doivent être parfaitement connus pour atteindre un dimensionnement optimal.Dans cette perspective, les objectifs de ces travaux de thèse visent à fournir non seulement une démarche méthodologique pour la modélisation haute fréquence des variateurs de vitesse dédiés aux applications aéronautiques mais aussi une approche de dimensionnement par optimisation des filtres CEM. Pour cela, un outil logiciel évolutif d’aide à la génération rapide des modèles CEM est proposé. Une description modulaire et une mise en équation automatique du modèle fréquentiel complet ainsi que des gradients en facilitent l'utilisation en procédures d’optimisation sous contraintes. L’approche présentée dans ces travaux est relativement générique : la topologie du filtre, de la structure du convertisseur, du câblage et la loi de commande peuvent être facilement recalculées, grâce à cet environnement logiciel. / The More Electrical Aircraft concept is very promising regarding energy saves, but generates new problems, and especially the emergence of new power electronics loads on the electrical network. Keeping the same level of safety in the aircraft means developing these switching mode converters in accordance with the aircraft standards, as the DO160. This is not obvious since weights of equipments are especially constrained: indeed, the objective of weight and energy save needs to be balanced with the additional weight and volume of the required EMI filters. There is thus a strong need in helping the aircraft designers to choose among the various technological possibilities, and to know the impact of these choices on the global weight, cost and volume of the embedded equipments. The EMI filter usually represents roughly 30% of the cost and volume of a power electronics converter, and it is very important to optimize it. The impact of the converter control law, semiconductors choice, interconnects realization, harness selection and placement, electrical motors characteristics… should be perfectly known in order to reach a good system design. In this perspective, the objectives of this thesis are to provide not only an approach for modelling high frequency variable speed drives dedicated to aerospace applications but also a methodology to optimize the required EMI filters. For this purpose, new architecture software dedicated to the rapid generation of EMC models is proposed. A modular description and a complete automatic model generation facilitate the use by the designer in optimization procedures thanks to automatic gradient computation.The methodology presented in this work is not specifically developed for a given application. It is a very generic approach: the topology of the filter, the structure of the inverters, interconnects and the control law can be easily recalculated, using this software environment. Consequently, the impact of all these elements on the electromagnetic disturbances can be characterized, and the EMI filter optimized.

The purpose of the thesis is design and contruction of remote training station for training with Schneider Electric products. Its purpose is to introduce company PLCs, familirize user with configuring variable speed drives and servo drives and prezenting Machine Advisor and EcoStruxure Augmented Operator Advisor online servives The begining is dedicated to introduction to company and a range of its products in the field of industrial automation. In second chapter, I select components for building training station. Third chapter is dedicated to assembly of station. In fourth chaper I describe programing of individual elements and example.

Η διατριβή αυτή επικεντρώθηκε στη διερεύνηση της λειτουργίας των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος τοπολογίας μήτρας (matrix converters) και, ειδικότερα, των άμεσων μετατροπέων τοπολογίας μήτρας. Ο άμεσος μετατροπέας τοπολογίας μήτρας με τρία σκέλη αποτελείται από 18 τρανζίστορ ισχύος και 18 διόδους ισχύος και χρησιμοποιείται για τη μετατροπή μίας τριφασικής εναλλασσόμενης τάσης σε τριφασική εναλλασσόμενη τάση στην έξοδό του, με δυνατότητες ρύθμισης του πλάτους και της συχνότητας της τάσης εξόδου, διαμόρφωσης του ρεύματος εισόδου, ρύθμισης του συντελεστή ισχύος στην είσοδο και αμφίδρομης ροής ισχύος. Η μετατροπή αυτή γίνεται σε ένα στάδιο, χωρίς ενδιάμεσο στάδιο συνεχούς τάσης (ή συνεχούς ρεύματος), με αποτέλεσμα την αποφυγή χρήσης πυκνωτών μεγάλης χωρητικότητας και πηνίων μεγάλης επαγωγιμότητας. Οι μετατροπείς τοπολογίας μήτρας χαρακτηρίζονται από υψηλούς βαθμούς απόδοσης, υψηλές πυκνότητες ισχύος και πολύ μεγάλους λόγους ισχύος προς μάζα, ενώ το αρμονικό περιεχόμενο της τάσης εξόδου και του ρεύματος εισόδου αυτών είναι μικρό. Η πολυπλοκότητα αυτών των μετατροπέων είναι υψηλή και η δυσκολία υλοποίησής τους σημαντική. Η διερεύνηση των άμεσων μετατροπέων τοπολογίας μήτρας στα πλαίσια της παρούσας διατριβής εστιάστηκε κυρίως στην ανάπτυξη μεθόδων διάγνωσης σφαλμάτων ανοικτοκυκλώματος που συμβαίνουν στο μετατροπέα, καθώς και στην ανάπτυξη μεθόδων παλμοδότησης αυτών που βασίζονται στη χρήση φορέα για την κανονική και επανορθωτική τους λειτουργία. Η διατριβή αυτή περιλαμβάνει οκτώ κεφάλαια, το περιεχόμενο των οποίων περιγράφεται ακολούθως. Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται μία εισαγωγή στους στόχους και τη διάρθρωση της παρούσας διατριβής. Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται μία εισαγωγή στους ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος εναλλασσόμενης τάσης σε εναλλασσόμενη τάση μεταβλητής συχνότητας και πλάτους. Στο κεφάλαιο αυτό περιλαμβάνεται η περιγραφή και η σύγκριση διαφόρων μετατροπέων τοπολογίας μήτρας, καθώς και η περιγραφή των συμβατικών μετατροπέων που χρησιμοποιούνται για την ίδια μετατροπή τάσης και η σύγκριση τους με τις δύο βασικότερες παραλλαγές των μετατροπέων τοπολογίας μήτρας. Στο Κεφάλαιο 3 περιγράφονται οι μέθοδοι που εφαρμόζονται για τον έλεγχο του άμεσου μετατροπέα τοπολογίας μήτρας. Συγκεκριμένα, περιγράφονται και συγκρίνονται διάφορες μέθοδοι παλμοδότησης που χρησιμοποιούνται σε αυτούς τους μετατροπείς, καθώς και οι βασικότερες μέθοδοι μετάβασης του ρεύματος. Στο κεφάλαιο αυτό περιλαμβάνεται η περιγραφή μίας νέας μεθόδου παλμοδότησης με τη χρήση φορέα που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της παρούσας διατριβής και οδηγεί σε μειωμένες διακοπτικές απώλειες για χρήση στην περίπτωση που ο επιθυμητός λόγος μεταφοράς τάσης είναι μικρότερος ή ίσος του 50%. Στο Κεφάλαιο 4 περιγράφονται ο άμεσος μετατροπέας τοπολογίας μήτρας που σχεδιάσθηκε και κατασκευάσθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας και τα υπόλοιπα στοιχεία της πειραματικής διάταξης. Επιπρόσθετα, παρατίθενται ορισμένα αποτελέσματα πειραματικών δοκιμών που αφορούν τη λειτουργία επιμέρους τμημάτων του μετατροπέα. Στο Κεφάλαιο 5, αρχικώς, γίνεται μία σύντομη περιγραφή του μοντέλου του υπό μελέτη συστήματος στο περιβάλλον του λογισμικού Matlab/Simulink, παρατίθενται οι τιμές διαφόρων παραμέτρων αυτού και παρουσιάζονται και σχολιάζονται αποτελέσματα προσομοιώσεων της κανονικής λειτουργίας του άμεσου μετατροπέα τοπολογίας μήτρας. Επιπρόσθετα, περιγράφεται μία μέθοδος διανυσματικού ελέγχου της ταχύτητας περιστροφής μίας ασύγχρονης μηχανής τροφοδοτούμενης από άμεσο μετατροπέα τοπολογίας μήτρας και παρουσιάζονται αποτελέσματα προσομοιώσεων της λειτουργίας ενός τέτοιου συστήματος. Τέλος, στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται και σχολιάζονται αποτελέσματα πειραματικών δοκιμών της κανονικής λειτουργίας του άμεσου μετατροπέα τοπολογίας μήτρας. Στο Κεφάλαιο 6 εξετάζονται τα πιθανά σφάλματα στον άμεσο μετατροπέα τοπολογίας μήτρας και παρουσιάζονται αναλυτικά οι μέθοδοι διάγνωσης σφαλμάτων ανοικτοκυκλώματος και εντοπισμού ανοικτοκυκλωμένων τρανζίστορ σε αυτόν το μετατροπέα που αναπτύχθηκαν στα πλαίσια αυτής της διατριβής. Περιγράφονται, επίσης, ορισμένες τεχνικές επεξεργασίας σήματος και στοιχεία της θεωρίας των ασαφών έμπειρων συστημάτων, τα οποία χρησιμοποιούνται στις μεθόδους διάγνωσης που προτάθηκαν στα πλαίσια αυτής της διατριβής. Στο Κεφάλαιο 7 περιγράφονται τοπολογίες και μέθοδοι παλμοδότησης για την επανορθωτική λειτουργία κινητηρίων συστημάτων με άμεσους μετατροπείς τοπολογίας μήτρας μετά την εμφάνιση σφαλμάτων στο μετατροπέα. Στο κεφάλαιο αυτό περιλαμβάνεται η περιγραφή δύο μεθόδων παλμοδότησης με χρήση φορέα για την επανορθωτική λειτουργία του άμεσου μετατροπέα τοπολογίας μήτρας μετά από ένα σφάλμα ανοικτοκυκλώματος, μία για το μετατροπέα με πρόσθετο (τέταρτο) σκέλος και μία για το μετατροπέα χωρίς πρόσθετα στοιχεία, που αναπτύχθηκαν στα πλαίσια αυτής της διατριβής. Τέλος, στο Κεφάλαιο 8 επισημαίνεται η συμβολή της παρούσας διδακτορικής διατριβής στην έρευνα σχετικά με τους Μ.Τ.Μ., ανακεφαλαιώνονται τα αποτελέσματα αυτής και αναφέρονται σημεία που μπορούν να αποτελέσουν αντικείμενο επιστημονικής έρευνας στο μέλλον. / This thesis was focused on the research in the matrix converters domain and, particularly, in direct matrix converters. The 3-leg direct matrix converter consists of 18 power transistors and 18 power diodes and is used for the conversion of a three-phase AC voltage to a three-phase AC voltage of variable amplitude and variable frequency. This topology is also capable of modulating the input current and adjusting the input power factor, whereas bidirectional power flow is allowed. This conversion is achieved in one stage with the direct connection of the input phases with the output phases, without using an intermediate DC link stage, resulting in elimination of the use of large capacitors and large inductors. The use of the matrix topology in power converters results in high efficiency, high power density and very high power-to-mass ratio, whereas the harmonic distortion of the output voltage and the input current is low. The complexity of the matrix converters is high resulting in significant implementation effort. In this thesis, the research in direct matrix converters was focused mainly on the development of diagnosis methods for open-circuit faults that arise in the matrix topology, as well as the development of carrier-based modulation methods for the normal and remedial operation of these converters. This thesis contains eight chapters, the content of which is described below. In Chapter 1 an introduction and a brief description of the aims and the structure of this thesis are provided. In Chapter 2 an introduction to the AC-AC power converters used for the modulation of an output voltage of variable amplitude and variable frequency is provided. A description and a comparison of various matrix converter topologies, a description of the conventional topologies used for the same voltage conversion and a comparison of the latter with the two most popular matrix topologies are included in this chapter. In Chapter 3 the methods required for the control of the direct matrix converter are presented. In detail, various modulation methods are described and compared and the most significant commutation methods are presented. In this chapter a novel carrier-based modulation method that was proposed in this work is also described which results in reduced switching losses for use in cases that the required voltage transfer ratio is up to 50%. In Chapter 4 the direct matrix converter that was designed and constructed in this work is presented and other parts of the experimental setup are described. Additionally, some experimental results related to the operation of matrix converter parts are provided. In Chapter 5 a brief description of the studied system’s model that was created using the Matlab/Simulink software is provided, the value of various parameters of this model is given and simulation results of the normal (healthy) operation of the matrix converter are presented and commented. Additionally, a vector control method for the speed control of an induction machine fed by a matrix converter is described and simulation results of its operation are demonstrated. Finally, experimental results of the normal operation of the matrix converter are presented and commented. In Chapter 6 the possible faults in direct matrix converters are studied and the methods to detect open-circuit faults and the open-circuited transistors localization method that were developed in this work are presented. Additionally, a description of signal processing methods and the basic theory of fuzzy inference systems, which are used by the proposed diagnosis methods, are included. In Chapter 7 topologies and modulation methods used for the remedial operation of the direct matrix converter after the occurrence of a fault are presented. In this chapter two carrier-based modulation methods for the remedial operation of the direct matrix converter after an open-circuit fault occurrence that were developed in this work are also described, one for the case of using a redundant (fourth) leg and one for the case of not using any redundant switches. In Chapter 8 the contribution of this thesis to the research in the matrix converters domain is highlighted, its additional results are noted and subjects of possible future work are provided.

Verdrängergesteuterte hydrostatische Antriebssysteme mit drehzahlvariablem Pumpenantrieb zeichnen sich durch ihre im Vergleich mit ventilgesteuerten Antrieben gute Energieeffizienz und die Möglichkeit der einfachen Stillsetzung aus, weisen jedoch durch die mangelnde Einspannung des Aktors geringere Eigenfrequenzen auf, was die Einstellung von Standardregelkreisen erschwert und meist eine geringere Dynamik und Positioniergenauigkeit zur Folge hat. Hydraulische Achsantriebe, die ohnehin über zahlreiche dominante Nichtlinearitäten verfügen und schwach gedämpft sind können in der Folge das ihnen innewohnende Potential nicht ausschöpfen. Mit einem Vergleich von Dynamik und Präzision verschiedener Antriebssysteme an Hauptantriebsachsen von Kunststoff-Spritzgießmaschinen mittlerer Baugröße wird zunächst das Leistungspotential analysiert. Auf dieser Basis werden Methoden zur Verbesserung der statischen und dynamischen Eigenschaften drehzahlvariabler verdrängergesteuerter Antriebe in Positions- und Druckregelung entwickelt, welche sich durch eine einfache Parametrierung und hohe Robustheit auszeichnen, da sie ohne einen geschlossenen Regelkreis funktionieren. Die dynamische inversionsbasierte Vorsteuerung ermöglicht dabei ein initial gutes Folgeverhalten, das durch die Anwendung einer iterativ lernenden Regelung in jedem Zyklus weiter verbessert wird. Um die Dynamik von Folgeregelungen mit weiteren Randbedingungen zu maximieren wird eine Methode entwickelt, mit der es möglich ist, eine Bewegungsvorgabe entlang der physikalischen Leistungsgrenzen des Antriebssystems zu berechnen und die wirkenden Begrenzungen aufzuzeigen. Die Erstellung von Bewegungsvorgaben sowie die Einstellung der lernenden Regelung sind dabei jeweils mit einem einzigen Parameter möglich. Die experimentelle Untersuchung und der Funktionsnachweis der entwickelten Methoden am Beispiel der Kunststoff-Spritzgießmaschine zeigt eine deutliche Steigerung der möglichen Dynamik verdrängergesteuerter Antriebssysteme, ein gutes Folgeverhalten sowie eine erhöhte Positioniergenauigkeit bei gleichzeitiger Unabhängigkeit von der Betriebstemperatur.:1. Einleitung und wissenschaftliche Problemstellung 7 2. Zielsetzung der Arbeit 11 3. Stand der Forschung und Technik 13 3.1 Architekturen hydraulischer Linearantriebe 13 3.2 Betriebsverhalten drehzahlvariabler verdrängergesteuerter Antriebe 16 3.3 Regelung hydraulischer Achsantriebe in Verdrängersteuerung 18 3.4 Vorsteuerungen und iterativ lernende Regelungen 21 4. Antriebstechnik in Kunststoff-Spritzgießmaschinen 25 5. Analyse der Leistungsfähigkeit von Antriebssystemen in SGM 27 5.1 Aufbau und Funktionsweise von Spritzgießmaschinen 28 5.2 Auswahl der Antriebssysteme 31 5.3 Analyse der Bewegungsdynamik 34 5.4 Analyse der Positioniergenauigkeit 37 5.5 Analyse der Druckregelung 39 5.6 Identifikation von Potentialen für die Leistungssteigerung 44 6. Trajektoriengenerierung entlang der Systemleistungsgrenzen 47 6.1 Kniehebel-Schließeinheit 48 6.2 Analyse statischer und dynamischer Restriktionen 50 6.3 Trajektorienentwurfsmethodik 59 7. Modellbasierte dynamische Vorsteuerung 67 7.1 Methodik 68 7.2 Mathematisch-physikalische Beschreibung 69 7.3 Inversionsbasiertes Steuergesetz 75 8. Modellbasierte lernende Vorsteuerung 77 8.1 Methodik 78 8.2 Entwurf modellbasierter normoptimaler iterativ lernender Regelungen 79 8.3 Stabilitätsnachweis 84 8.4 Generierung von Lernmodellen 86 9. Anwendung der Verfahren und Diskussion 91 9.1 Positionsregelung im geschlossenen hydrostatischen Kreis 93 9.2 Lastkraftregelung im offenen Kreis 108 9.3 Ablösende Regelung: Geschwindigkeit - Last 123 10. Zusammenfassung 127 11. Literatur 133 12. Anhang 145 / Displacement-controlled hydrostatic drive systems with variable-speed pump are characterized by their good energy efficiency and the possibility of simple shutdown compared with valve-controlled drives, but they have lower natural frequencies, which makes the application of standard closed-loop control more difficult and usually results in lower dynamics and positioning accuracy. As a result hydraulic drives, which already have numerous dominant nonlinearities and are weakly damped, cannot exploit their full potential. The work starts with a comparison and an analysis of the dynamics and precision of different drive systems on main drive axes of medium-size plastic injection molding machines. On this basis, methods are developed for improving the static and dynamic properties of variable-speed displacement-controlled drives in position and pressure control. These methods are characterized by simple parameterization and high robustness without relying on a closed-loop control. In this context, the dynamic inversion-based feedforward control allows for a good tracking performance, which is further improved by applying a cycle-wise iterative learning control. In order to fulfill the dynamics of follow-up control with position boundary conditions, a method is developed which allows for calculating a motion specification along the physical performance limits of the drive system and to show the existing limitations. The creation of motion presets as well as the setting-up of a learning controller may be done with one single parameter. Experimental investigation of the developed methods using the example of the plastic injection molding machine shows a significant increase in dynamics of displacement-controlled drive systems, good follow-up behavior, and increased positioning accuracy while remaining independent of the operating temperature.:1. Einleitung und wissenschaftliche Problemstellung 7 2. Zielsetzung der Arbeit 11 3. Stand der Forschung und Technik 13 3.1 Architekturen hydraulischer Linearantriebe 13 3.2 Betriebsverhalten drehzahlvariabler verdrängergesteuerter Antriebe 16 3.3 Regelung hydraulischer Achsantriebe in Verdrängersteuerung 18 3.4 Vorsteuerungen und iterativ lernende Regelungen 21 4. Antriebstechnik in Kunststoff-Spritzgießmaschinen 25 5. Analyse der Leistungsfähigkeit von Antriebssystemen in SGM 27 5.1 Aufbau und Funktionsweise von Spritzgießmaschinen 28 5.2 Auswahl der Antriebssysteme 31 5.3 Analyse der Bewegungsdynamik 34 5.4 Analyse der Positioniergenauigkeit 37 5.5 Analyse der Druckregelung 39 5.6 Identifikation von Potentialen für die Leistungssteigerung 44 6. Trajektoriengenerierung entlang der Systemleistungsgrenzen 47 6.1 Kniehebel-Schließeinheit 48 6.2 Analyse statischer und dynamischer Restriktionen 50 6.3 Trajektorienentwurfsmethodik 59 7. Modellbasierte dynamische Vorsteuerung 67 7.1 Methodik 68 7.2 Mathematisch-physikalische Beschreibung 69 7.3 Inversionsbasiertes Steuergesetz 75 8. Modellbasierte lernende Vorsteuerung 77 8.1 Methodik 78 8.2 Entwurf modellbasierter normoptimaler iterativ lernender Regelungen 79 8.3 Stabilitätsnachweis 84 8.4 Generierung von Lernmodellen 86 9. Anwendung der Verfahren und Diskussion 91 9.1 Positionsregelung im geschlossenen hydrostatischen Kreis 93 9.2 Lastkraftregelung im offenen Kreis 108 9.3 Ablösende Regelung: Geschwindigkeit - Last 123 10. Zusammenfassung 127 11. Literatur 133 12. Anhang 145

L'amélioration des performances des chaînes de conversion dédiées à la récupération d'énergie par les hydroliennes est un point particulièrement important pour rendre cette ressource économiquement attractive. La minimisation du coût de l'énergie produite passe nécessairement par une amélioration des performances de la chaîne de conversion électromécanique et une réduction des coûts de maintenance et de production des éléments la constituant. Dans ce contexte particulier, les génératrices à aimants permanents apparaissent particulièrement intéressantes dans la mesure où elles sont bien adaptées à un fonctionnement à basse vitesse et à fort couple. Ceci permet d'éliminer des systèmes mécaniques très complexes, encombrants et exigeants en maintenance, tels que le multiplicateur de vitesse et/ou le système d'orientation des pales. L'objectif de cette thèse est d’explorer un certain nombre de pistes concernant les outils, les concepts et les règles de conception à mettre en oeuvre pour dimensionner une génératrice associée en entraînement direct à une turbine hydrolienne à pas fixe. Les outils mis au point dans ces travaux englobent des modèles multi-physiques intégrés dans une démarche de conception qui se veut la plus globale possible. Cette méthodologie tient compte de la caractéristique de la ressource (courants de marées), de celle de la turbine (hélice), des spécifications de la génératrice à aimants permanents, de la mise en oeuvre d’une stratégie de pilotage associant MPPT et limitation de puissance par défluxage à fort courants de marées, en plus des contraintes liées au convertisseur. L'environnement de conception développé est basé sur un couplage des modèles dans une procédure d'optimisation. Les résultats obtenus mettent en lumière les points clés associés au développement d’une telle génératrice pour un contexte hydrolien. / The improvements of marine current turbines drive train are key features to ensure safe operation and to make tidal energy resource cost-attractive. In this context, eliminating mechanical systems that demand high-level of maintenance can be an interesting way to improve the global behavior of tidal turbines. For that purposes, the presented studies focus on design methodologies and concepts of direct-driven generators associated with fixed-pitch turbines. The proposed designs are based on multiphysics models of the generator that are integrated in an optimization process taking into account the drive train environment. For these reasons, several models have been integrated into a global design strategy in order to find solutions that improve marine current turbines performances. This strategy is based on the use of an optimization process that combines electromagnetic model, thermal model, turbine performances model, and tidal resource velocity profile. This methodology integrates also an efficient control strategy based on a maximum power point tracking (MPPT) approach at low tidal speed and a flux-weakening power limitation control at high tidal speed. This control at high tidal velocities is in this work achieved by considering only the generator electrical control without using blade pitching systems. The obtained results highlight trends that could lead to an improvement of the design and they help designers to set relevant technological choices in order to ensure significant cost reduction and highly improve the reliability of marine current turbines.

Cette thèse est consacré à l’évaluation et l’amélioration de la performance de la machine synchrone à réluctance variable pour des applications à vitesse variable en général et pour les applications automobiles en particulier. Les deux axes de développement sont la conception de la machine et l’injection des harmoniques de courants de phase. Le rotor est un élément important dans la conception de la machine, et un intérêt particulier est dédié à la conception et l’évaluation du rotor pour améliorer la performance de la machine. Une méthode analytique est proposée dans la thèse pour concevoir le rotor. Plusieurs éléments tels que les ponts qui maintiennent le rotor mécaniquement résistant, ainsi que le rapport d’isolation d’axe q (rapport air-acier) sont étudiés. Une étude de conception assistée par ordinateur basé sur un problème d’optimisation paramétrique est présentée aussi. Les trois familles des algorithmes d’optimisation sont évaluées pour la procédure d’optimisation: un algorithme à base de gradient (algorithme de Newton Quasi), un algorithme non-évolutionnaire sur la base de non-gradient (Nelder Mead Simplex) et un algorithme évolutif sur la base non-gradient (algorithme génétique). Les designs de machines basées sur la procédure analytique et la procédure d’optimisation sont testés sur un banc d’essai. Le deuxième axe d’études de la thèse est l’injection d’harmoniques dans les courants de phase de la machine à réluctance variable synchrone. L’interaction des harmoniques de courant avec les harmoniques spatiales des inductances est étudiée et formalisée pour une machine à m-phases. Ensuite, le concept d’injection d’harmoniques est évalué dans le cas particulier d’une machine à deux phases. Cette étude montre l’avantage de l’injection d’harmoniques dans la réduction de l’ondulation de couple de la machine. Un design d’une machine est finalement développé pour une application automobile sur la base de l’optimisation paramétrique du stator et du rotor. Cette conception est évaluée pour les spécifications imposées électromagnétiques par une application de traction à puissance moyenne / This thesis is dedicated to the evaluation and the improvement of the synchronous reluctance machine’s performance for variable speed drive applications in general and for automotive applications in particular. The two axes of development are machine design and phase current harmonics injection. The rotor is an important element in the machine design and particular emphasis is placed to the design and evaluation of the rotor for enhancing the machine performance. An analytical procedure is proposed for the rotor design. The rotor elements like the ribs and the bridges that maintain the rotor mechanically strong as well as the q-axis insulation ratio (air-to-steel ratio) are studied. A computer-aided design study based on a parametric optimization problem is presented as well. The main three families of the optimization algorithms are evaluated for the optimization procedure: a gradient-based algorithm (Quasi Newton Algorithm), a non-gradient based non-evolutionary algorithm (Nelder Mead Simplex) and a non-gradient based evolutionary algorithm (Genetic Algorithm). The machine designs based on the analytical procedure and the optimization procedure are both manufactured and tested on a bench. The second axis of study of the thesis is the injection of harmonics in the phase currents of the synchronous reluctance machine. The interaction of current harmonics with the spatial inductance harmonics is studied and formalized for an m-phase machine. Then, the harmonics injection concept is evaluated in the particular case of a 2-phase machine. This study shows the benefi t of harmonics injection in the reduction of the machine torque ripple. A synchronous reluctance machine design is fi nally developed for an automotive application based on parametric optimization of the stator and rotor. This design is evaluated for the electromagnetic specifi cations imposed by a mid-power electric vehicle traction application