Les stratégies de commande avancée des machines électriques nécessitent une connaissance précise de la position et/ou de la vitesse du rotor. Ces grandeurs mécaniques sont traditionnellement mesurées par des capteurs, ce qui augmente le coût et diminue la fiabilité et la robustesse du système. D’où l’importance de la commande sans capteurs mécaniques, dite commande sensorless : elle consiste à remplacer les capteurs physiques par un observateur d’état, qui estime les grandeurs mécaniques en se basant sur un modèle de la machine et à partir de ses entrées (tensions) et ses sorties (courants mesurés). Toutefois, avant d’entamer la synthèse d’un observateur, il faut examiner l’observabilité du système, c.à.d. vérifier si les grandeurs à estimer peuvent être reconstruites à partir des mesures et des entrées du système.Ce travail de thèse concerne la modélisation et l’étude d’observabilité des machines électriques en vue de la commande sensorless. Dans un premier temps, les modèles des machines électriques sont établis, et il est montré qu’une modélisation unifiée des machines à courant alternatif est possible. Ensuite, en se basant sur ces modèles, l’observabilité des machines électriques est étudiée en vue de la commande sensorless. La théorie d’observabilité instantanée locale est appliquée, ce qui permet de formuler des conditions analytiques, faciles à interpréter et à vérifier en temps-réel, et qui font le lien avec les phénomènes physiques dans les machines. La validité des conditions d’observabilité est confirmée par des simulations et sur des données expérimentales, en appliquant un observateur de type Kalman étendu.Cette thèse contribue à une nouvelle vision des machines à courant alternatif commandées sans capteurs mécaniques, et à une compréhension plus profonde de leurs propriétés. Elle contribue ainsi à la synthèse de stratégies d’observation plus performantes dans les régimes de fonctionnement critiques (à vitesse nulle et/ou à fréquence d’entrée nulle).Les nouveaux concepts proposés dans cette thèse, tels que le flux équivalent et le vecteur d’observabilité, avec les résultats obtenus, ouvrent de nouveaux horizons dans un domaine qui paraît devenir assez mature. / High-performance control of electric drives requires an accurate knowledge of the rotor position and/or speed. These mechanical variables are traditionally measured using sensors, which increases the cost and reduces both the robustness and the reliability of the system. This emphasizes the importance of electric drives control without shaft sensors, often referred to as sensorless control : it consists of replacing sensors with a state observer algorithm, that estimates the desired mechanical variables from currents and voltages sensing and based on the system’s model. Nevertheless, before designing a state observer, the observability ofthe system should be examined, that is, it should be checked whether the states to be estimated can be reconstructed, unambiguously, from the input/output signalsof the system.This work addresses the modeling and the observability analysis of electric drives in the view of mechanical sensors removal. Firstly, electrical machines models areelaborated, and it is shown that a unified modeling of alternating current machines is feasible, for the purpose of designing unified control and estimation strategies.The observability of the machines’ models is next studied in the view of sensorless control. The local instantaneous observability theory is applied, which enables us to formulate physically insightful analytic conditions that can be easily interpreted and tested in real time. The validity of the observability conditions is confirmed by numerical simulations and experimental data, using an extended Kalman observer.This work contributes to novel outlooks on the sensorless alternating current drives and to a deeper understanding of its properties, in order to develop higher performance estimation techniques in the critical operating conditions (mainly at standstill and/or zero-stator-frequency).The concepts introduced throughout this thesis, such as the equivalent flux and the observability vector, with the obtained results, open new horizons in a domainthat seems to become mature enough.

This work deals with creation of an exact mathematical model of a traction drive with low-voltage induction machine (28 V) which is fed from accumulators. This model was developed in MATLAB – Simulink and consists of induction machine model, inverter model and load model. Vector Control was added to models connected together. This complex model allows considering many effects into simulations. These effects are commonly neglected, although they have significant influence on drive behaviour, especially by using low-voltage machine. It is impact of magnetic circuit saturation, impact of temperature and skin effect on winding resistance, impact of inverter nonlinearities such as on-state voltage drops on switching elements, dead times and transistors switching times. The attention was paid to determination of losses in drive parts. The correctness of the model was verified at laboratory workplace established for this purpose. The laboratory drive can be controlled by a microprocessor or by using MATLAB and dSPACE application. The influence of compensations of inverter nonlinearities and DC-link voltage ripple on higher harmonics of inverter output currents was analyzed. Furthermore, the control, which decreased resistive losses, was solved.

In dieser Arbeit wird ein Motorschutzsystem vorgestellt, das die Temperaturen in Asynchronmotoren während des Betriebes zuverlässig und sensorarm berechnet und dabei leicht auf andere Motoren übertragbar ist. Neben dem Schutz vor unzulässiger Erwärmung können die auftretenden Wicklungsverluste für eine wirkungsgradoptimale Ansteuerung genauer ermittelt werden. Basis ist ein thermisches 9-Körper-Modell, das die Temperaturverläufe wesentlicher Maschinenteile abbilden kann. Der vorgeschlagene Identifikationsalgorithmus sorgt für eine hohe Übereinstimmung der Temperaturverläufe. Fehler im thermischen Modell oder der Verlustleistungsberechnung können durch die Rückführung eines einzelnen Temperatursensors und eines verbesserten Schätzers der Läuferwicklungstemperatur korrigiert werden. Das Überschreiten definierter Temperaturgrenzen kann mit der vorgeschlagenen Abschaltzeitprognose auch im Fehlerfall frühzeitig erkannt werden.

As a new type of machine, the multi-phase machine has the advantages ofhigher power rating, higher fault tolerance capability and more degrees offreedom to control compared with the traditional machine. Aiming at runninga multi-phase machine with different phase-pole configurations smoothly,a new method called harmonic plane decomposition is presented. Thisproject focuses on applying harmonic plane decomposition to the modellingand analysis of a six-phase machine. The parameters of the machine wereidentified in both the first and fifth harmonic planes. The machine modelusing harmonic plane decomposition method is built in Matlab/Simulink. Asimulation based on the indirect rotor field oriented control of the machine isthen performed. The simulation result shows that the machine could switchbetween different phase-pole configurations without causing too much speedripple. Debugging and testing a prototype control board is conducted. Thecontrol strategy of the machine is tested on the testbench. The machine couldoperate as a six-phase machine successfully. / Som en ny typ har flerfasmaskinen fördelarna, inklusive högre effekt, högrefeltolerans och fler frihetsgrader att styra jämfört med den traditionella maskinen.Med sikte på att köra en flerfasmaskin med olika faspolskonfigurationersmidigt presenteras en ny metod som kallas harmonisk plan sönderdelning.Detta projekt fokuserar på att tillämpa harmonisk plan sönderdelning på modelleringoch analys av en sexfasmaskin. Maskinens parametrar identifieradesi både det första och det femte harmoniska planet. Maskinmodellen medharmonisk plan sönderdelning är byggd i Matlab/Simulink. En simuleringbaserad på den indirekta rotorfältorienterade styrningen av maskinen utförssedan, och resultatet visar att maskinen kan växla mellan olika faspolskonfigurationerutan att orsaka oacceptabel hastighetsrippling. Felsökning ochtestning av en prototypstyrplatta utförs också, och maskinens styrstrategi testaspå testbänken. Sammantaget kan maskinen fungera som en sexfasmaskinframgångsrikt.

Le problème de la commande de machine asynchrone sans capteur mécanique de vitesse est très étudié dans les domaines de l'automatique et de l'électrotechnique. Ce travail porte sur la faisabilité de ce type de commande sur l'ensemble de la plage de vitesse et pour tout type de machine asynchrone afin d'être utilisée en traction ferroviaire. Une étude poussée de l'observabilité permet de définir une mesure quantitative continue de l'observabilité de la vitesse de la machine, appelée index d'observabilité. La synthèse d'un observateur confirme ainsi la correspondance entre les zones de faible index d'observabilité et celles où l'observation est de mauvaise qualité. L'index d'observabilité défini dans cette thèse permet donc de prédire les performances d'observation d'un système. L'originalité principale des travaux présentés tient dans l'utilisation de cet index d'observabilité dans la commande de la machine asynchrone sans capteur mécanique de vitesse. En tirant profit du degré de liberté qu'offre la variation d'amplitude du flux, nous proposons de garantir un index d'observabilité au-dessus d'un seuil tout en respectant les autres contraintes de la commande. L'observation de la vitesse devient alors précise sur toute la plage de vitesse, et un fonctionnement long est possible en tout point sans perturber le couple réalisé. Des expérimentations sur simulateur numérique viennent confirmer ces résultats, y compris lors de phases de patinage. L'observation des paramètres électriques est également étudiée afin de garantir la précision de l'observation de vitesse. Pour cela, la sensibilité de l'observation de vitesse aux variations de paramètres électriques et l'observabilité de ces paramètres sont étudiées, permettant de définir une nouvelle stratégie d'observation des paramètres électriques. Des essais sur banc de puissance, puis en application réelle sur un train régional, valident les performances de la commande sans capteur de vitesse proposée sur toute la plage de vitesse, et son adéquation aux contraintes d'une application ferroviaire. / The problem of speed sensorless control of induction machine is a well-studied problem in the field of automatic control and electrical engineering. This work addresses the problem of the feasibility of induction machine control over the whole speed range and for any type of induction machine, aiming at being used in a railway application. An intensive study of observability has defined a continuous quantitative measurement of the speed observability, named observability index. An observer was developped to confirme the correspondence between low-observability index areas and poor observation quality. The observability index defined in this thesis is thus a way to predict the observation performance of systems. The main originality of the work presented in this thesis is the use of this observability index in the induction machine speed sensorless drive. By taking advantage of the degree of freedom given by the variation of the flux amplitude, we propose to guarantee the observability index value above a given threshold while respecting the other constraints of the control. The speed observation becomes precise over the entire speed range, and a long time operation is possible on any point, without interfering with torque regulation. Experiments on real-time simulator confirm these results, including when slipping and sliding occurs. The electrical parameter observation is also studied to ensure the accuracy of speed observation. For this, the sensitivity of the speed observation to electrical parameter variations and the observability of these parameters are studied, leading to the definition of the electrical parameter observation strategy. The testings on power bench, and in real application on a regional train, validate the performance of the speed sensorless drive proposed on the entire speed range, and its suitability to the constraints of a railway application.

Le travail présenté dans cette thèse est une contribution au dimensionnement et à la commande d’un générateur de type Cascade de Machines Asynchrones à Double Alimentation. Le modèle de la machine pour les simulations est basé sur une représentation modulaire qui découle du modèle de Park de deux machines asynchrones doublement alimentées distinctes, en respectant deux systèmes de référence. Le modèle dynamique est ensuite étendu pour décrire la machine dans un repère unifié. Cette représentation est cruciale pour le dimensionnement de la machine et la synthèse de la commande. Le domaine de fonctionnement de la cascade en régime permanent est exploré. Une méthode analytique générique est proposée pour établir les plages de puissances active-réactive. Les courbes limites sont définies par rapport aux grandeurs nominales de la machine. L’étude prend en compte l’effet de saturation du circuit magnétique. Il est prouvé que la capacité en puissance de la machine est déterminée par les valeurs maximales des courants statoriques et peut être soumise à plusieurs limitations. L’approche analytique est testée et validée par des mesures expérimentales. Deux cas sont considérés pour la commande de la cascade : un générateur raccordé au réseau et un générateur autonome. Pour la connexion au réseau l’application visée est les éoliennes de grande puissance. Une nouvelle méthode pour l’extraction de la puissance maximale d’une éolienne à vitesse variable est proposée. Le système est contrôlé dans le but de fournir une puissance maximale quasi-constante indépendamment des fluctuations du vent. En plus de l’optimisation de la puissance, le facteur de puissance est également ajusté selon les normes de raccordement standard imposées par les services système, et les limites de fonctionnement de l’unité intégrée. Une commande vectorielle sans capteur de tension, basée sur une orientation suivant un flux virtuel, est appliquée pour la régulation découplée des puissances active et réactive. Pour le fonctionnement en mode isolé, l’application visée est la génération électrique pour système avionique embarqué. Deux réseaux de distribution sont traités : réseau AC à fréquence fixe et réseau DC. Dans les deux cas, la commande est élaborée dans le but de maintenir une tension de sortie constante. Le fonctionnement de la cascade alimentant une charge triphasée déséquilibrée est également étudié. Des schémas de contrôle servant à la compensation du déséquilibre des tensions statoriques sont développés. Deux méthodes de compensation sont proposées : l’une basée sur le principe de deux repères tournants et l’autre sur un correcteur répétitif. Les approches présentées sont validées par simulation avec Matlab/Simulink et par expérimentation. / This thesis is a contribution to the power sizing and the control of a Cascaded Doubly Fed Induction Generator (CDFIG). The machine model for simulation is based on a modular representation, derived from the Park model of two distinct Doubly Fed Induction Machines expressed in their own reference frames. The dynamic model of the cascaded machine is then extended to be described in a unified reference frame. This representation is convenient for the sizing of the machine and for the design of the controller. The steady state power operating margins of the cascaded machine are investigated. A generic analytic method is suggested to derive the active-reactive power domain. The limit curves are defined in terms of the rated quantities of the machine. The study takes into account the magnetic circuit saturation effect. It is proven that the power capability of the machine is determined by the stator current maximum values and is subject to several limitations. The analytical approach is tested and validated by experimental measurements. The CDFIG is controlled in grid-connected and standalone operation modes. In grid-connected application, the attention is paid to high power wind generation systems. A new maximum power tracking of a variable speed wind turbine is suggested. The generating plant is carried to provide a quasi-constant maximum power regardless wind fluctuations. In addition to active power optimization the power factor is adjusted according to the grid code requirements and the operating domain of the integrated unit. A virtual flux oriented vector control is applied for the decoupled regulation of active and reactive powers, leading to grid voltage sensorless operation. In standalone operating mode, the study treats in particular the embedded aircraft power system generation. Two distribution networks are considered: constant frequency AC network and DC network. In both cases, the control aims to maintain a constant output voltage. The operation of the CDFIG supplying unbalanced three-phase load is further explored. Control schemes to cope with unbalanced stator voltage conditions are developed. Two compensation methods are elaborated: the first dealing with dual rotating frames and the second is based on repetitive controller. Simulations with Matlab/Simulink software and experiments validate the control approaches.

This thesis deals with the modeling, analysis and control of a novel brushlessgenerator for wind power application. The generator is named as rotatingpower electronic brushless doubly-fed induction machine/generator (RPEBDFIM/G). A great advantage of the RPE-BDFIG is that the slip power recoveryis realized in a brushless manner. This is achieved by introducing an additionalmachine termed as exciter together with the rotating power electronicconverters, which are mounted on the shaft of a DFIG. It is shown that theexciter recovers the slip power in a mechanical manner, and delivers it backto the grid. As a result, slip rings and carbon brushes can be eliminated,increasing the robustness of the system, and reducing the maintenance costsand down-time of the turbine. To begin with, the dynamic model of the RPE-BDFIG is developed andanalyzed. Using the dynamic model, the working principle of the generatoris understood and its operation explained. The analysis is carried out atspeeds, ±20% around the synchronous speed of the generator. Moreover, thedynamics of the generator due to external load-torque disturbances are investigated.Additionally, the steady-state model is also derived and analyzed forthe machine, when operating in motor mode. As a next step, the closed-loop control of the generator is considered indetail. The power and speed control of the two machines of the generator andthe dc-link voltage control is designed using internal model control (IMC)principles. It is found that it is possible to maintain the stability of thegenerator against load-torque disturbances from the turbine and the exciter,at the same time maintain a constant dc-link voltage of the rotor converter.The closed-loop control is also implemented and the operation of the generatorwith the control theory is confirmed through experiments.In the third part of the thesis, the impact of grid faults on the behaviourof the generator is investigated. The operation of the generator and its responseis studied during symmetrical and unsymmetrical faults. An approachto successful ride through of the symmetrical faults is presented, using passiveresistive network (PRN). Moreover, in order to limit the electrical and mechanicaloscillations in the generator during unsymmetrical faults, the dualvector control (DVC) is implemented. It is found that DVC to a certain extentcan be used to safeguard the converter against large oscillations in rotorcurrents. Finally, for completeness of the thesis, a preliminary physical design ofthe rotating power electronic converter has been done in a finite elementsoftware called ANSYS. The thermal footprint and the cooling capability,with estimates of the heatsink and fan sizes, are presented. Besides, another variant of a rotating electronic induction machine whichis based on the Lindmark concept and operating in a single-fed mode is also investigated. It’s steady-state model is developed and verified through experiments. / <p>QC 20151006</p>

L’objectif de ces travaux de thèse est de développer des architectures fiables de surveillance et de détection des défauts d’une machine asynchrone basées sur des techniques paramétriques de traitement du signal. Pour analyser et détecter les défauts, un modèle paramétrique du courant statorique en environnement stationnaire est proposé. Il est supposé être constitué de plusieurs sinusoïdes avec des paramètres inconnus dans le bruit. Les paramètres de ce modèle sont estimés à l’aide des techniques paramétriques telles que les estimateurs spectraux de type sous-espaces (MUSIC et ESPRIT) et l’estimateur du maximum de vraisemblance. Un critère de sévérité des défauts, basé sur l’estimation des amplitudes des composantes fréquentielles du courant statorique, est aussi proposé pour évaluer le niveau de défaillance de la machine. Un nouveau détecteur des défauts est aussi proposé en utilisant la théorie de détection. Il est principalement basé sur le test du rapport de vraisemblance généralisé avec un signal et un bruit à paramètres inconnus. Enfin, les techniques paramétriques proposées ont été évaluées à l’aide de signaux de courant statoriques expérimentaux de machines asynchrones en considérant les défauts de roulements et les ruptures de barres rotoriques. L’analyse des résultats expérimentaux montre clairement l’efficacité et la capacité de détection des techniques paramétriques proposées. / This Ph.D. thesis aims to develop reliable and cost-effective condition monitoring and faults detection architectures for induction machines. These architectures are mainly based on advanced parametric signal processing techniques. To analyze and detect faults, a parametric stator current model under stationary conditions has been considered. It is assumed to be multiple sinusoids with unknown parameters in noise. This model has been estimated using parametric techniques such as subspace spectral estimators and maximum likelihood estimator. A fault severity criterion based on the estimation of the stator current frequency component amplitudes has also been proposed to determine the induction machine failure level. A novel faults detector based on hypothesis testing has been also proposed. This detector is mainly based on the generalized likelihood ratio test detector with unknown signal and noise parameters. The proposed parametric techniques have been evaluated using experimental stator current signals issued from induction machines under two considered faults: bearing and broken rotor bars faults.Experimental results show the effectiveness and the detection ability of the proposed parametric techniques.

Ce travail s’intéresse à l’étude d’un système de pompage turbinage à vitesse variable avec une machine asynchrone doublement alimentée face aux perturbations de réseau électrique. L’objectif est d’assurer la continuité de service de cet élément stabilisateur de réseau électrique de sorte qu’il reste connecté au réseau même en cas de perturbations. Le contrôle du système dans les différentes phases de fonctionnement en mode sain a été tout d’abord développé ainsi qu'une étude de stabilité de système utilisant l’analyse modale. Les différents outils nécessaires pour cette analyse ont été tout d’abord mis en oeuvre. Ensuite, les limites de stabilité du système ont été étudiées tenant compte de la variation de longueur de ligne. Le comportement du système en présence des défauts a été par la suite étudié. Les défauts de réseau considérés sont les défauts symétriques et les défauts asymétriques. Une solution basée sur la modification de la stratégie de contrôle a été adoptée pour le cas des défauts symétriques et une solution basée sur l’ajout d’éléments au circuit de puissance a été adoptée pour les cas des défauts asymétriques. Un dispositif expérimental de 4kW a été mis en oeuvre pour la validation des développements menés dans le cadre de cette thèse. / This work focuses on the study of a variable speed pumped storage system based on a doubly fed induction machine in case of grid disturbances. Thus the main objective is to improve the fault ride through capabilities of this grid stabilizer and to guarantee its connection with the grid even under disturbances. The system control in the different operating phases in healthy conditions is developed and then a system stability study is conducted using the eigenvalue analysis. The system stability limits have been investigated taking into account the variation of grid line length so the grid impedance variation. Then the system behavior under disturbances is analyzed. Theconsidered grid faults are symmetric and asymmetric faults. The investigated fault ride through capabilities of the pumped storage system consist of two solutions, one based on the modification of the control strategy was adopted for the symmetric faults and one based on hardware modification has been adopted for the asymmetric ones. A 4kW laboratory set-up has been developed for experimental validation.

Tato diplomová práce se zabývá elektromagnetickou analýzou a modelováním asynchronního stroje s plným rotorem. Tato práce tedy zahrnuje literární rešerši na téma vysokootáčkových elektrických strojů s porovnáním s klasickými elektrickými stroji s převodovkou a popisem jejich výhod či nevýhod, rozdělení vysokootáčkových elektrických strojů s plnými rotory a srovnání jejich výhod či nevýhod, kde se tato práce nejvíce soustřeďuje na vysokootáčkové asynchronní stroje s plnými rotory a jejich použití v průmyslu. Dále se tato práce zabývá metodami výpočtu elektrických asynchronních strojů s plnými rotory. Proto jsou zde uvedeny a popsány metody výpočtu stroje mezi které patří analytické metody i metoda konečných prvků. Vzhledem k povaze elektrických strojů s plnými rotory je hlavně kladen důraz v této práci na výpočet stroje pomocí metody konečných prvků ve 2D prostoru s využitím korekčních činitelů konců plných rotorů, které jsou zde velmi detailně popsány a rozděleny. Na základě dostupné literatury je vypočítaný elektrický stroj s plným rotorem pomocí MKP analýzy. Elektromagnetický výpočet stroje je automatizován pomocí skriptu vytvořeného v Pythonu. Dalším hlavním cílem této práce je popis tzv. náhradních modelů, uvedení jejich výhod či nevýhod, použití v jiných průmyslových odvětvích a hlavně použití náhradních modelů na elektrický stroj s plným rotorem. S využitím náhradních modelů je dále optimalizovaný vybraný asynchronní stroj s plným rotorem a to pomocí programů SymSpace a Optimizer. Pro samotnou optimalizaci byly uvažovány 3 návrhy stroje, které byly na závěr mezi sebou porovnány a to hlavně z hlediska jejich elektromagnetického výkonu.