Thèse (Ph. D.)--Université Laval, 2008. / Titre de l'écran-titre (visionné le 9 mai 2008). Bibliogr.

L’enjeu de la thèse concerne la modélisation électromagnétique des machines synchrones à réluctance, avec comme objectif final : obtenir un modèle suffisamment précis et rapide pour, d’une part, être capable de calculer les ondulations de couple et d’autre part servir pour de l’optimisation dimensionnelle et pouvoir être couplé à un logiciel de type circuit pour tester une loi de commande. Un modèle du type schéma réluctant a été mis en place petit à petit avec validations à chaque étape. La modélisation des échanges dans l’entrefer utilise en final une fonction originale (intégrale de Fermi-Dirac) qui a entièrement été paramétrée avec les dimensions caractéristiques de la machine.Ce modèle de la machine, piloté par les courant, a ensuite été couplé avec un circuit électrique grâce à une interface de transformation tension-courant. Les optimisations réalisées avec ce modèle ont permis de mettre en évidence certains manques dans les contraintes dimensionnelles initiales et, celles-ci corrigées, de montrer que ce modèle était parfaitement utilisable pour cette démarche d’optimisation. / This thesis aims the electromagnetic modeling of synchronous reluctance machines, with a final goal: to obtain a fast and sufficiently accurate model, able to calculate the torque ripple and to be used for optimal machine design and also capable to be coupled to circuit software to test control techniques.A MEC (magnetic equivalent circuit) model was created step-by-step and validated at each step. Final model of the air-gap is based on a function (Fermi-Dirac integral), which has been completely parameterized by machine dimensions. This model of the machine is driven by current; afterwards it was coupled with an electric circuit thanks to a voltage-current transformation interface. The optimizations made with the model allowed to highlight some deficiencies in the initial dimensional constraints. After corrections the model could be efficiently used in an optimization process.

ACette thèse s’inscrit dans la continuité des travaux menés sur les problématiques des énergies renouvelables par le laboratoire GREAH. Elle est financée par la communauté de l’agglomération havraise (CODAH). Les taux de fluctuation de la puissance sont réglementés dans des codes de réseaux établis par des gestionnaires de réseau électrique dans le but de minimiser l’impact de ces fluctuations sur la fréquence et la tension du réseau. Comme l’énergie éolienne est de nature fluctuante, nous proposons dans ce rapport des solutions dans le cas où les taux de fluctuations de la production éolienne offshore dépassent ces limites. Parmi ces solutions, la capacité du parc éolien à lisser sa propre puissance ou par intégrations des unités de stockage; dans le premier cas l’utilisation d’une réserve de puissance dans les éoliennes est possible, pour créer cette réserve deux méthodes sont proposées et leurs performances évaluées. Pour deuxième solutions, une méthodologie sera proposée pour déterminer la technologie du stockage. Des propositions pour construire des parcs éoliens offshore avec des technologies en courant continu sont apparues. Pour permettre un couplage répondant et une bonne fiabilité des dispositifs d’électroniques de puissance utilisés dans la conception de ces nouveaux parcs, nous proposons dans ce rapport des convertisseurs adéquats et des stratégies de commandes qui assurent leurs stabilités. / The research work performed in this thesis is in the framework of issues related of renewable energies led by GREAH laboratory. The research work has been funded by Le Havre Municipality Assembly (CODAH). The requirements of power fluctuations in the grid are given by the grid code established by the electricity utilities companies in order to mitigate the impact of the wind power fluctuation on frequency and voltage in electrical grid. As wind energy has a fluctuating behavior, solutions have been proposed in this thesis for the situation where the power produced by an offshore wind power plant exceeds the threshold given by the grid code. Among the solutions, we can quote the ability of the wind power plant to smooth its own power production or integrate storage units. In the first case, the use of power reserve in wind turbines is possible and two methods have been proposed, and their performance evaluated. For the second solution, a methodology to find and to choose out the storage technology has been discussed. Proposals to build offshore wind farms with technologies using direct current (DC) have emerged. To get a coupling which fulfills the requirement of good reliability of power electronic devices used for the design of new wind farms, it has been proposed in this thesis adequate converters and control strategies that ensure their stability.

Le web est une plate-forme universelle pour développer des applications riches en interactions avec les utilisateurs et des services distants. Ces interactions sont implémentées sous forme d’évènements asynchrones pouvant survenir à n’importe quel instant de l’exécution de l’application. JavaScript, le langage du web, gère les évènements asynchrones de façon peu abstraite, ce qui rend l’écriture, la vérification et la maintenance d’applications interactives difficile. La contribution de cette thèse est l’élaboration et l’implémentation du langage Hiphop.js qui dote JavaScript d’abstractions de plus haut niveau pour gérer les évènements asynchrones. Hiphop.js est une implémentation JavaScript de constructions temporelles du langage réactif synchrone Esterel. Grâce à ces constructions, le flot de contrôle d’une application Hiphop.js est explicite. Il est donc possible de savoir précisément quand et sous quelles conditions un évènement est traité par simple lecture du code source de l’application. Ceci facilite la vérification et la maintenance de l’application. L’intégration profonde du langage Hiphop.js avec l’environnement dynamique du web est une part importante des travaux entrepris dans cette thèse. Les programmes sont construits et compilés pendant l’exécution de l’application JavaScript ce qui permet d’adapter automatiquement le traitement des évènements asynchrones en fonction des changements de l’environnement au cours de l’exécution (par exemple, la connexion ou déconnexion de participants pendant une visioconférence). / The web is an universal platform used to develop applications interacting with users and remote services. These interactions are implemented as asynchronous events that can be fired anytime. JavaScript, the mainstream language of the web, handles asynchronous events using low-level abstractions that makes it difficult to write, verify, and maintain interactive applications. We have addressed this problem by designing and implementing a new domain specific language called Hiphop.js. It offers an alternative to JavaScript event handling mechanism by reusing temporal constructions coming from the synchronous programming language Esterel. These constructions make the control flow of the program explicit and deterministic. Hiphop.js is embedded in JavaScript and suits the traditional dynamic programming style of the Web. It is tighly coupled to JavaScript with which it can exchange values and access any data structures. It can also support dynamic modifications of existing programs needed to support on-demand download on the Web. It can run on both end of Web applications, namely on servers and on clients. In this thesis, we present Hiphop.js, its design and implementation. We overview its programming environment and we present the prototypical web applications we have implemented to validate the approach.

Les entraînements électriques à grande plage de vitesse sont des ensembles convertisseur machine qui se caractérisent par un couple à faible vitesse supérieur au couple à haute vitesse, comme dans le cas des applications de traction. Leur performance dépend fortement de la puissance apparente du convertisseur, des impédances de la machine et de la loi de commande utilisée. Les méthodes de conception qui séparent la conception de la machine de celle de l'onduleur et de celle de la loi de commande ne permettent pas toujours de trouver une solution adéquate. Il est donc nécessaire de réaliser une optimisation globale de tout l'ensemble convertisseur - machine - système de contrôle. Lors de l'optimisation, le nombre d'itérations pour arriver à une solution est important et le temps de calcul est un facteur à considérer. Ce travail présente des méthodes analytiques de modélisation adaptées pour l'optimisation des systèmes d'entraînement. Les méthodes se basent sur une modélisation de la machine sous la forme d'un circuit équivalent et une modélisation du convertisseur sous la forme de contraintes de fonctionnement. Elles permettent de calculer rapidement les courants, les tensions, les pertes, le couple, la commande et les performances pour les différents points de fonctionnement du cahier des charges. Ces modèles sont illustrés par des exemples de conception des systèmes de traction et d'un alternateur de voiture. Ce travail présente aussi un analyse des machines polyphasées en mode dégradé en utilisant les modèles développés. / A wide-speed-range electric drive is a system composed of a static converter and an electric motor that produce high torque at low speed and low torque at high speed, as in the case of a traction application. The performance is strongly influenced by the apparent power of the inverter, the impedances of the machine and the control law. The design methods that separate the design of the machine, the static converter and the control law do not always find an adequate solution. It is so necessary to carry a global optimization of the whole system. When optimizing the number of iterations is very important and the computation time is an important factor. This work presents analytic modeling methods suited for the optimization of drive systems. The methods are based in an equivalent circuit machine model and operating constraint model of the static converter. The methods rapidly calculate the currents, voltages, losses, torque, control law and performances of the different operating points of the system design specification. Those models are illustrated with traction system design examples and a car alternator design example. This work also presents an analysis of polyphase machines in fault modes.

Un pont à diodes ne peut pas être utilisé avec une génératrice à flux trans verse en raison de sa grande inductance statorique. Le but de cette étude est d'examiner différentes solutions pour des redresseurs utilisés avec une génératrice à flux transverse fonctionnant à vitesse variable en regardant leurs avantages et inconvénients. Comme solutions conventionnelles, des ponts à diodes avec compensation passive et des redresseurs à MLI sont étudiés. Aussi, une nouvelle topologie de redresseur à haut rendement sera présentée qui peut être utilisée avec des sources à fréquence variable ayant une inductance très élevée et saturable incluant les machines à flux transverse

Ce mémoire porte sur le développement d'une méthode de conception d'entraînements à vitesse variable par modèles analytiques en appliquant un processus d'optimisation sur les machines synchrones cylindriques. Cette méthode de conception permet de considérer l'ensemble des points de fonctionnement de l'entraînement et ses cycles d'opération. Après avoir réalisé le dimensionnement de la machine, on utilise un modèle de type circuit électrique équivalent pour vérifier les performances dans des conditions de fonctionnement variées. Une méthode d'optimisation globale permet de rechercher la meilleure solution possible pour satisfaire l'ensemble des contraintes du cahier des charges. On utilise aussi une méthode de correction itérative pour améliorer la précision des modèles et valider la solution optimale avec un logiciel de calcul des champs par éléments finis. Nous développons une méthode permettant de prendre en compte les caractéristiques non linéaires des matériaux magnétiques et la saturation. On présente deux exemples de la méthode de conception pour des cahiers des charges d'applications utilisant des ensembles convertisseur-machine sur une large plage de vitesse. Le premier est un alternateur à griffes d'automobile de type Lundell et le deuxième, un moteur de traction pour un véhicule électrique. / This project presents a design method of variable speed drives with analytical models by applying an optimization process. It concerns synchronous machines. This design method permits to consider the set of points in a torque-speed chart of the drive and its cycles of operation. After having calculated the dimensions of the machine, one uses an electrical circuit model to verify performances. A method of global optimization is used to search for the best solution to satisfy the set of constraints and specifications. One also uses an iterative method of parameter correction to improve the precision of models and to validate the optimal solution with FE software. We develop a design method taking account non linear magnetic characteristic of materials and magnetic saturation. One presents two design examples for applications using drive Systems on a wide range of speed. The first is a claw-pole lundell car alternator and the second, an electric traction System.

Ce travail présente une modélisation rapide d’ordre élévé capable de modéliser une configuration rotorique en cage complète ou en grille, de reproduire les courants de barre et tenir compte des harmoniques d’espace. Le modèle utilise une approche combinée d’éléments finis avec les circuits-couplés. En effet, le calcul des inductances est réalisé avec les éléments finis, ce qui confère une précision avancée au modèle. Cette méthode offre un gain important en temps de calcul sur les éléments finis pour des simulations transitoires. Deux outils de simulation sont développés, un dans le domaine du temps pour des résolutions dynamiques et un autre dans le domaine des phaseurs dont une application sur des tests de réponse en fréquence à l’arrêt (SSFR) est également présentée. La méthode de construction du modèle est décrite en détail de même que la procédure de modélisation de la cage du rotor. Le modèle est validé par l’étude de machines synchrones: une machine de laboratoire de 5.4 KVA et un grand alternateur de 109 MVA dont les mesures expérimentales sont comparées aux résultats de simulation du modèle pour des essais tels que des tests à vide, des courts-circuits triphasés, biphasés et un test en charge. / This work presents a fast high-order model able to model a rotor configuration in full cage or grid, reproduce bar currents and consider the space harmonics. The model is based on a Combination of Finite Element method and Coupled Circuits. Indeed, the calculation of inductances is performed with magnetostatic finite element resolutions which gives to the model an advanced accuracy.This method offers a significant gain in computing time on finite element for transient simulations. Two simulation tools are developed, one in time domain for dynamic resolutions and another in phasor domain whose application on StandStill Frequency response (SSFR) is also presented. The model construction method is described in detail as well as the modeling procedure of the rotor circuit. The model is validated by the study of synchronous machines: a laboratory machine of 5.4 KVA and a large hydrogenerator of 109 MVA whose experimental measurements are compared to the model simulation results for tests such as no-load, three-phase and two-phase short circuit and also a load test.

L'objectif principal des réseaux électriques est de convertir l'énergie d'une forme naturelle à la forme électrique et aussi de la distribuer aux clients avec la meilleure qualité. L'énergie électrique est une des formes d'énergie les plus utilisées dans l'industrie, dans les résidences, aux bureaux et dans le transport. Présentement, la complexité des réseaux électriques augmente continuellement en raison de la croissance des interconnexions et de l'utilisation des nouvelles technologies. Également, la croissance de la demande d'énergie électrique a forcé l'utilisation des réseaux électriques à leur capacité maximale et donc près de la limite de stabilité. Dans ces conditions, si le système est soumis à une perturbation, la chute de la tension ou celle de la fréquence serait très probable. Par conséquent, les équipements de contrôle, qui constituent une structure avec plusieurs niveaux de contrôle, peuvent aider les réseaux électriques à surmonter les événements imprévus. Les récentes pannes dans les réseaux électriques démontrent le besoin urgent d'une structure de contrôles multi-niveaux basés sur une technologie avec très rapide réponse appelée en anglais Wide Area Measurement and Control system (WAMAC). Présentement, le Wide Area Measurement System (WAMS) qui utilise le Global Positioning System (GPS) et la technologie satellite, joue un rôle important dans différentes parties du système de contrôle des réseaux électriques pour emp^echer les pannes globales ou locales du système. Les informations transférées par cette technologie seraient employées dans un contrôleur global appelé Wide Area Controller en anglais pour améliorer la performance dynamique des réseaux électriques pendant et après les perturbations. Donc, pour implémenter un Wide-Area Controller dans cette thèse, nous présenterons un plan multi-étapes pour l'amélioration de la stabilité du système et l'amortissement des oscillations du réseau. La première étape de ce plan serait l'estimation d'état dynamique des réseaux électriques en utilisant des phaseurs qui sont accessibles de Phasor Measurement Unit (PMU). Les angles des machines synchrones estimés à la première étape, qui pourrait nous montrer l'état des oscillations du réseau, seront utilisés comme des signaux d'entrée pour le contrôleur. La deuxième étape de notre plan est de trouver les meilleurs eplacements des dispositifs FACTS sur le réseau électrique pour augmenter la puissance transmise dans le réseau, maximiser la chargeabilité et minimiser les pertes. Après le placement optimal des dispositifs FACTS, la troisième étape consiste à implémenter le Wide-Area Controller. Ce contrôleur reçoit les états estimés, qui sont disponibles à partir des résultats de la première étape, et d'autres informations de partout dans le réseau en utilisant des PMUs. Après la vérification des signaux reçus, le contrôleur commande des contrôleurs locaux, tels que les contrôleurs des dispositifs FACTS qui ont été placés de façon optimale à la deuxième étape. Le contrôleur implémenté modifie les signaux de référence des éléments locaux pour améliorer la performance dynamique du système et amortir les oscillations du réseau. / The main goal of power system is to convert the energy from one of its natural forms to the electrical form and deliver it to the costumers with the best quality. So far, the complexity of power system is continually increasing because of the growth in interconnections and use of new technologies. Also, the growth of electrical energy demand has forced the power networks to work with the maximum possible capacity and in turn near the stability limits. In this condition, if the system is subjected to a disturbance, the voltage or frequency collapse events would be more probable. Therefore the control equipments, which constitute a multi level control structure, can help the power system to overcome the contingencies. Recent collapse events in the power system networks show the urgent need for such a multi level control structure based on a rapid response technology such as Wide Area Measurement and Control (WAMAC). Nowadays, the wide area measurement and monitoring, which uses the Global Positioning System (GPS) and satellite technology, plays an important role in different parts of power system control strategies to prevent from global or local collapses. The information transferred by this technology would be employed in a master central controller, called wide area controller, to improve the power system dynamic performance during and after disturbances. From this point of view, in this thesis we will present a multi-step plan for system stability improvement and network oscillations damping by implementing a FACTS-based wide-area power oscillation damper (WA-POD) controller. The frrst step of this plan would be the dynamic state estimation of power system using the phasor measurements signals accessible from Phasor Measurement Units (PMUs). The estimated rotor angles of the synchronous machines from the first step, which could show us the network oscillations condition, will be used as the input signals of the wide-area controller. The second step of this plan is to find the best locations of FACTS devices to increase the power transmitted by network, maximize the system loadability and minimize the transmission line losses. After optimal placement of FACTS controllers, the third step is to implement a wide-area damping controller which receives the estimated rotor angles, available from the results of step one, and other information from all over the network, and then modifies the set points of optimized local control utilities such as FACTS device controllers. The implemented wide area controller, which acts as a master controller, sends the reference signals and setpoints to the local FACTS controllers such as UPFC to improve the oscillations damping performance. This result in higher transfer limits across major transmission interfaces and less blackouts in terms of frequency, duration and consequences.

La conception d'une machine haute vitesse est un problème multiphysique très complexe. Les contraintes mécaniques au rotor sont très élevées et la dynamique du rotor ne peut pas être négligée sinon les vibrations excessives risquent de détruire la machine. Même les pertes aérodynamiques créées par le frottement entre le rotor et l'air dans l'entrefer ne peuvent être négligées. La vitesse élevée implique également une fréquence électrique très élevée et donc des problèmes de pertes additionnelles dans le bobinage, de pertes fer, de pertes par courant de Foucault au rotor et de pertes de commutation dans les composantes de puissance de l'onduleur. Les pertes par courant de foucault au rotor, par exemple, augmentent la température des aimants risquant ainsi d'altérer leur performance ou même de les démagnétiser. Le concepteur doit faire preuve d'ingéniosité pour trouver des solutions et des compromis entre ces nombreux problèmes tout en considérant les couplages multiphysiques entre les modèles. Par exemple, l'augmentation de la fréquence de hachage permet la réduction des pertes par courant de foucault au rotor, mais augmente les pertes par commutation dans l'onduleur d'où la nécessité de l'atteinte d'un premier compromis. Les machines synchrones à aimants permanents montés en surface étant des machines prometteuses pour fonctionner à des vitesses et densités de puissance élevées, l'objectif du présent travail de recherche est de développer un outil de CAO adapté à ce type de machine et d'en déduire des règles de conception. Le calcul de champs 2D magnétostatique et magnétoharmonique est directement piloté par un algorithme d'optimisation pour permettre une estimation précise des paramètres les plus complexes à modéliser pour des espaces de conception et des topologies variés. Une étude comparative de moteurs optimisés pour différentes vitesses et densités de puissance a permis de déduire des règles de conception comme le choix du nombre de pôles et l'équilibre entre les pertes cuivre et les pertes fer. Le Chapitre 1 traite de l'état de l'art actuel de la conception de machines haute vitesse. Les différents défis de conception et de réalisation sont exposés et discutés ainsi que les principales solutions possibles. Le Chapitre 2 présente différents modèles adaptés aux machines haute vitesse permettant d'aider le concepteur dans son processus. L'implantation de la méthode de conception directe par calcul de champs à l'aide de MATLAB, PYTHON et CEDRAT FLUX est exposé dans le Chapitre 3 alors que son utilisation pour l'obtention de règles de conception et son application sur un générateur de 80kW fonctionnant à 70000 rpm sont traités au Chapitre 4. Finalement, le Chapitre 5 traite des différentes solutions aux problèmes majeurs des pertes dans les aimants. / Conception of a high-speed electrical machine is a complex multiphisics problem. Mechanical constraints in the rotor are high and rotor dynamics cannot be neglected otherwise excessive vibrations could destroy the machine. Even aerodynamic losses caused by friction between the rotor and the air in the air gap cannot be neglected. High-speed also implies high electrical frequency and therefore additional losses in the windings, iron losses, losses in the rotor et switching losses in power electronics. Rotor losses, for example, raise the temperature of the magnets and may alter their performance or even demagnetize them. The designer must therefore show ingenuity to find solutions and compromises between these numerous problems while considering the multiphysics couplings. For example, increasing switching frequency of the inverter allows the reduction of rotor losses, but increases switching losses in power components, hence the need to reach a compromise. Since Surface Mounted Permanent Magnet synchronous (SMPM) machines are promising for operating at high speeds and power density, the aim of this research is to develop an optimization process adapted to this type of machine that makes it possible to deduce design rules. Parametric magnetodynamic and magneto-harmonic FEA simulations are directly driven by an optimization algorithm to allow accurate estimation of parameters that are difficult to evaluate for various design spaces and topologies. A comparative study of motors optimized for different speeds and power density made it possible to deduce design rules such as the choice of the number of poles and the balance between copper losses and iron losses. First, Chapter 1 introduces the current state of the art for high-speed machines designs. Various design and fabrication challenges are discussed as well as popular solutions. Chapter 2 shows models adapted to high-speed machines to help the designer in his process. Implementation of the optimization process by direct field calculation using MATLAB, PYTHON and CEDRAT FLUX is shown in chapter 3 while its use for obtaining design rules and its application for an 80 kW generator are in chapter 4. Finally, a few solutions for magnet losses are studied in chapter 5.