Contribution à L'étude et la Commande de Génératrices Synchrones à Réluctance en Fonctionnement Autonome

Abstract

Outre la production de masse, la conversion de l’énergie éolienne en électricité pour les sites éloignés du réseau électrique constitue une alternative intéressante pour l’électrification de zones isolées dans divers pays. Dans ce contexte, il est primordial d’utiliser un système de conversion fiable, simple et de coût limité. Parmi les machines électriques qui pourraient assurer ce genre de conversion, la machine synchrone à réluctance variable peut être une possibilité intéressante. En effet, son rotor est relativement simple de topologie et de construction et, dans sa version de base il n’est muni d’aucun système d’excitation, d’où un prix modeste et une absence de pertes à évacuer. Les travaux de cette thèse portent sur l’analyse de l’utilisation de machine synchrone à réluctance (MSRV) pour convertir l'énergie éolienne en énergie électrique dans le cadre d'une application autonome. Après un état de l’art sur les travaux consacrés à la conversion de l’énergie éolienne en autonome, un prototype de MSRV a été conçu sur la base du stator d'une machine asynchrone à cage d’écureuil disponible dans le laboratoire. En gardant la même longueur d'entrefer, trois rotors (saillant, avec barrières de flux et ponts magnétique et avec barrières de flux sans ponts) ont été proposés. Les performances intrinsèques des trois cas en fonctionnement moteur ont été étudiées, montrant un meilleur comportement de la dernière configuration. Ce dernier a donc été retenu pour la suite des travaux. Un modèle analytique diphasé a ensuite été développé en tenant compte de l'effet de la saturation magnétique au travers d’inductances fonction des courants diphasés. Trois cas ont été investigués ; une saturation le long de l'axe d uniquement, le long des deux axes d et q indépendamment et en tenant compte de l’effet croisé. L'identification des inductances dans les 3 cas a été réalisée à l'aide d'un modèle numérique par EF 2D. Le modèle analytique développé a été utilisé pour étudier le fonctionnement de la machine en tant que générateur autonome avec des capacités connectées aux bornes du stator. Les simulations ont été réalisées à vide et avec des charges équilibrées et déséquilibrées à l'aide de Matlab Simulink. Les trois approches de prises en compte de la saturation ont été testées montrant l’intérêt de prendre en compte l’effet croisé. Comme la qualité des tensions est sensible à la vitesse de rotation et à la charge, la machine est ensuite connectée à un redresseur à MLI en utilisant les deux méthodes de contrôle les plus couramment employées : la commande vectorielle et la commande directe du couple (CDC). Afin d’améliorer les performances de la machine tout en limitant l’impact sur le prix, la machine synchrone à réluctance a été munie d’aimants permanents en ferrite dans les barrières de flux. Une première étude est effectuée sur les emplacements et la quantité adéquate d’aimants tout en gardant le même bobinage réparti de la machine initiale. Une fois la disposition et le volume adéquat d’aimants permanents retenus, une seconde étude a porté sur différentes configurations des bobinages d’induit (distribués et concentrés). Enfin, toujours dans le même objectif d’amélioration des performances, nous avons étudié la possibilité de munir la machine d’étude d’une excitation par courant continu au stator. Cette solution permet de s’affranchir des aimants sans induire de contrainte mécanique mais en ajoutant un degré de liberté en termes d’amplitude du courant d’excitation. Plusieurs configurations de polarité et de disposition des bobinages ont été analysées. Une optimisation a également été menée sur un des prototypes afin d’atténuer les harmoniques de la fem à vide. In addition to mass production, the conversion of wind energy into electricity for sites far from the electricity grid represents an interesting alternative for the electrification of isolated areas in various countries. In this context, it is of great interest to use a reliable, simple and low cost conversion system. Among the electrical machines that could provide this kind of conversion, the variable reluctance synchronous machine could be an interesting possibility. Indeed, its rotor presents relatively simple topology and construction and, in its basic version, it is not fitted with any excitation system, hence its modest cost and the absence of losses to be evacuated. This thesis analyses the use of a synchronous reluctance machine (SynRM) to convert wind energy into electrical one in a stand-alone application. Following a review of the state of the art in the conversion of wind energy into autonomous operation, a SynRM prototype was designed on the basis of the stator of a squirrel-cage induction machine available in the laboratory. Keeping the same air-gap and active length, three rotors (salient, with flux barriers and magnetic bridges and with flux barriers without bridges) were proposed. The intrinsic performance of the three cases in motor operation was studied, showing that the last configuration performed better. The latter was therefore selected for further work. A diphase analytical model was then developed, taking into account the effect of magnetic saturation through inductances that are a function of diphase currents. Three cases were investigated: saturation along the d axis only, along the two axes d and q independently, and taking into account the cross effect. The inductances in the 3 cases were identified using a 2D FE numerical model. The analytical model developed was used to study the operation of the machine as a stand alone generator with capacitors connected to the stator terminals. Simulations were carried out at no load and with balanced and unbalanced loads using MATLAB Simulink. The three approaches for taking saturation into account were tested, demonstrating the benefits of taking the cross effect into account. As the quality of the voltages is sensitive to the speed of rotation and the load, the machine is then connected to a PWM rectifier using the two most commonly used control methods: vector control and DTC (Direct Torque Control). In order to improve the machine's performance while limiting the impact on price, the reluctance synchronous machine was fitted with permanent ferrite magnets in the flux barriers. An initial study was carried out on the location and quantity of magnets required, while maintaining the same distributed winding as the original machine. Once the appropriate arrangement and volume of permanent magnets had been selected, a second study looked at different armature winding configurations (distributed and concentrated). Finally, with the same objective of improving performance, we studied the possibility of equipping the machine under study with direct current excitation in the stator. This solution eliminates the need for magnets without inducing mechanical constraints, but adds a degree of freedom in terms of the amplitude of the excitation current. Several configurations of polarity and winding layout were analyzed. One of the prototypes was also optimized to attenuate the harmonics of the no-load fem.