Post on 19-Mar-2020
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Abdoulaye DIENG et Mohamed-Fouad Benkhoris
ANNEE UNIVERSITAIRE 2013/2014
Ensemble génératrice-convertisseur
tolérant aux défauts
2
Ensemble génératrice-convertisseur tolérant aux défauts
C
O
N
T
E
X
T
E
Objectifs: Optimiser le fonctionnement de l’association génératrice
pentaphasée – Convertisseur AC/DC
Maitrise et gestion de
l’énergie
Diverses sources d’énergie
renouvelables
Energie marine basée sur la récupération
d’énergie des courants marins
Sureté de fonctionnement Structure de conversion
électromécanique fiable et viable
Structures Tolérantes aux
défauts
Recherche d’architectures
pour un ensemble
Génératrice-Convertisseur
3
Ensemble génératrice-convertisseur tolérant aux défauts
S
O
M
M
A
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E
Objectifs: Optimiser le fonctionnement de l’association génératrice
pentaphasée – Convertisseur AC/DC
Plan
Etat de l’art des défauts
Solutions envisagées
Stratégies de commande
Régulateur auto-oscillant
(MRC)
Quelques résultats
Conclusion
- Ensemble « machine –
convertisseur »
- Les défauts les plus récurrents
- Les composants les plus
vulnérables (Taux de
défaillance)
4
Ensemble génératrice-convertisseur tolérant aux défauts
D
E
F
A
U
T
S
o PMSG
Ω, θ
Convertisseur
MLI
N
Charge Turbine
Source d’énergie primaire Ensemble « machine –
convertisseur »
Interfaçage (Onduleur) +Réseau
/
Charges ilôtées
5
Ensemble génératrice-convertisseur tolérant aux défauts
D
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U
T
S
o PMSG
Ω, θ
Convertisseur
MLI
N
Charge Turbine
Source d’énergie primaire Ensemble « machine –
convertisseur »
Interfaçage (Onduleur) +Réseau
/
Charges ilôtées
Défaut
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Ensemble génératrice-convertisseur tolérant aux défauts
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T
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o PMSG
Ω, θ
Convertisseur
MLI
N
Charge Turbine
Source d’énergie primaire Ensemble « machine –
convertisseur »
Interfaçage (Onduleur) +Réseau
/
Charges ilôtées
Ensemble « machine – convertisseur »
- Défaut de fermeture d’un IGBT (circuit ouvert), Défaut d’ouverture (court-circuit)
- Déconnexion d’une phase de la machine de l’alimentation,
- Défaut de court-circuit (entre spires, entre phases et entre phase et carcasse),
- Défaillances des condensateurs (court-circuit, circuit ouvert et glissement des
paramètres).
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Ensemble génératrice-convertisseur tolérant aux défauts
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o PMSG
Ω, θ
Convertisseur
MLI
N
Charge Turbine
Source d’énergie primaire Ensemble « machine –
convertisseur »
Interfaçage (Onduleur) +Réseau
/
Charges ilôtées
Recueils de fiabilité publiés
Source: Errabelli R.R. and al, 2011: IEEE
- Interrupteurs de puissance 50%,
- Contrôleurs numériques (17%),
- Capteurs (reste)
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Ensemble génératrice-convertisseur tolérant aux défauts
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o PMSG
Ω, θ
Convertisseur
MLI
N
Charge Turbine
Source d’énergie primaire Ensemble « machine –
convertisseur »
Interfaçage (Onduleur) +Réseau
/
Charges ilôtées
Recueils de fiabilité publiés
Entrainements à vitesse variable
Composants Taux de défaillance %
Interrupteurs de puissance 38
Circuits de contrôle 53
Auxiliaires externes 9
Source: Yeh. and al, 2007: IEEE, Tabbache and al, 2013 : ISA transactions
9
Ensemble génératrice-convertisseur tolérant aux défauts
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o PMSG
Ω, θ
Convertisseur
MLI
N
Charge Turbine
Source d’énergie primaire Ensemble « machine –
convertisseur »
Interfaçage (Onduleur) +Réseau
/
Charges ilôtées
Recueils de fiabilité publiés
Alimentation à découpage
Composants Taux de défaillance %
Interrupteurs de puissance 31
Condensateurs 60
Diodes 3
Autres 6
Source: Yeh. and al, 2007: IEEE, Tabbache and al, 2013 : ISA transactions
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Ensemble génératrice-convertisseur tolérant aux défauts
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o PMSG
Ω, θ
Convertisseur
MLI
N
Charge Turbine
Source d’énergie primaire Ensemble « machine –
convertisseur »
Interfaçage (Onduleur) +Réseau
/
Charges ilôtées
Recueils de fiabilité publiés
Source: Schwab. and al, 2003: IEEE, Flieller and al, 2011: Livre
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Ensemble génératrice-convertisseur tolérant aux défauts
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M
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Objectifs: Optimiser le fonctionnement de l’association génératrice
pentaphasée – Convertisseur AC/DC
Plan
Etat de l’art des défauts
Solutions envisagées
Stratégies de commande
Régulateur auto-oscillant
(MRC)
Quelques résultats
Conclusion
- Structures triphasées,
Redresseur MLI , redresseur à
Diodes/DC-DC, Redresseur
Vienna
- Machines à grand nombre de
phases
- Association « Génératrice
pentaphasée - Redresseur MLI
pentaphasé »
- Association « Génératrice
pentaphasée - Redresseur
Vienna pentaphasé »
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Ensemble génératrice-convertisseur tolérant aux défauts
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N
S
Structures triphasées avec accès au point
milieu du bus continu
Source: Ribeiro. and al, 2004: IEEE, Welchko and al, 2004: IEEE,
Yeh. and al, 2007: IEEE, FU. and al, 1993: IEEE,
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Ensemble génératrice-convertisseur tolérant aux défauts
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Structures triphasées sans accès au point
milieu du bus continu
Source: Ribeiro. and al, 2004: IEEE, Welchko and al, 2004: IEEE,
Yeh. and al, 2007: IEEE, BOL. and al, 2000: IEEE,
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Ensemble génératrice-convertisseur tolérant aux défauts
S
O
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N
S
Structures triphasées sans accès au point
milieu du bus continu
Source: Ribeiro. and al, 2004: IEEE, Welchko and al, 2004: IEEE,
Yeh. and al, 2007: IEEE, BOL. and al, 2000: IEEE,
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Ensemble génératrice-convertisseur tolérant aux défauts
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Topologie minimisant le nombre
d’interrupteurs de puissance
commandables
- Redresseur à diodes associée à un convertisseur Buck ou Boost
- Redresseur Vienna (Johann W. Kolar, Université de Vienne)
~ ~ ~
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Ensemble génératrice-convertisseur tolérant aux défauts
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Redresseur Vienna
Avantages
Très bon rendement
Possède trois interrupteurs de
puissance
Pertes par commutation
réduites d’un facteur de 6
lorsque F<50 kHz
Facteur de puissance de 0,997
avec un THD < 5%
Unidirectionnel
Sources
Kolar. and al, 1999
Nesrine, 2007
Pathak and all, IXYS CORP
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Ensemble génératrice-convertisseur tolérant aux défauts
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Ensemble « machine – convertisseur »
polyphasé
Structures triphasées Structures polyphasées
- Performances moindres
- Ondulations de couples
- Limite au niveau de la commande
- Meilleures performances
- Redondance de la structure (amélioration
de la sureté de fonctionnement)
- Plus de Liberté au niveau de la commande
- Grande qualité de couple, etc…
Sources
Benelghali. and al, 2011: IEEE, Mekri and al, 2013: IEEE
Fletcher, 2011: IEEE, Hassanain, 2010: IET
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Ensemble génératrice-convertisseur tolérant aux défauts
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Architectures d’ensemble « machine –
convertisseur » retenues
PMSG
Ω, θ
a b
c d
e
o
a
b c d e
o
N
PMSG
Ω, θ
N
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Ensemble génératrice-convertisseur tolérant aux défauts
S
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Objectifs: Optimiser le fonctionnement de l’association génératrice
pentaphasée – Convertisseur AC/DC
Plan
Etat de l’art des défauts
Solutions envisagées
Commande et Stratégies de
commande
Régulateur auto-oscillant
(MRC)
Quelques résultats
Conclusion
- Normal et Dégradé
- Commande en mode VF et
mode PQ
- Commande rapprochée du
convertisseur Statique
- Optimisation du transfert de
puissance
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Ensemble génératrice-convertisseur tolérant aux défauts
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Commande et Stratégies de commande
Commande en mode P-Q
Sources
Maria Andreica, 2009, Thèse de Doctorat
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Ensemble génératrice-convertisseur tolérant aux défauts
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Commande et Stratégies de commande
Commande en mode V-f
Sources
Maria Andreica, 2009, Thèse de
Doctorat
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Ensemble génératrice-convertisseur tolérant aux défauts
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Commande et Stratégies de commande
Objectifs: Optimiser le fonctionnement de l’association génératrice
pentaphasée – Convertisseur AC/DC
• Maximiser le transfert d’énergie
• Pertes Joules minimales
• Couple maximal
• Ondulations de couple fortement réduites.
- Multi-variables
- Fem non sinusoïdale (Exploitation
des harmoniques)
Complexité
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Ensemble génératrice-convertisseur tolérant aux défauts
C
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M
M
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Commande et Stratégies de commande
Redresseur MLI, Redresseur Vienna
Mode normal
- FEM non sinusoïdale
- Références de courant sont non constantes dans les
référentiels de Park, Concordia et abcde
- Modèle fortement non linéaire (redresseur Vienna)
- Etablissement du modèle en vue de la commande
délicat (Redresseur Vienna)
Mode dégradé
- Modèle fortement non linéaire
- Etablissement du modèle en vue de la commande
délicat
- Références de courant non constantes
Pb: régulateur ????
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Ensemble génératrice-convertisseur tolérant aux défauts
C
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M
M
A
N
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Commande et Stratégies de commande
• Régulateur valable en mode normal et mode dégradé
et qui soit robuste vis-à-vis des modèles
• Commande dans le repère abcde
Régulateur auto-
oscillant (MRC) Proposition
+
-
RT
Courant de référenceamplificateur non linéaire
F (p)1
i (t)ref
Courant de sortie
i(t)u(t)
Convertisseur
de type relais
RTF (p)2
erreur
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Ensemble génératrice-convertisseur tolérant aux défauts
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Objectifs: Optimiser le fonctionnement de l’association génératrice
pentaphasée – Convertisseur AC/DC
Plan
Etat de l’art des défauts
Solutions envisagées
Commande et Stratégies de
commande
Régulateur auto-oscillant
(MRC)
Quelques résultats
Conclusion
- Principe de fonctionnement
- Avantages
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Ensemble génératrice-convertisseur tolérant aux défauts
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G
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Régulateur auto-oscillant (MRC)
• Très robuste avec une très grande dynamique (bande de passante très
large),
• Contrôle performant de la fréquence de commutation avec un faible
THD au niveau des courants.
• Une très faible sensibilité par rapport aux paramètres de la charge,
• Bonne stabilité
+
-
RT
Courant de référenceamplificateur non linéaire
F (p)1
i (t)ref
Courant de sortie
i(t)u(t)
Convertisseur
de type relais
RTF (p)2
erreur
Développé au Laboratoire IREENA par Jean-Claude Le Claire
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Ensemble génératrice-convertisseur tolérant aux défauts
S
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M
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I
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Objectifs: Optimiser le fonctionnement de l’association génératrice
pentaphasée – Convertisseur AC/DC
Plan
Etat de l’art des défauts
Solutions envisagées
Commande et Stratégies de
commande
Régulateur auto-oscillant
(MRC)
Quelques résultats
Conclusion
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Ensemble génératrice-convertisseur tolérant aux défauts
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Profil de la FEM de la machine
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Temps (s)
Am
pitu
de (
V)
Profil de la FEM
Rang Amplitude
1 1
2 0
3 0.298
4 0
5 0.141
6 0
7 0.0316
8 0
9 0.00707
10 0
29
Ensemble génératrice-convertisseur tolérant aux défauts
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S
Références de courant
Izref =Ez
Ez2e
z=a
ΓrefΩ Izref =Ez −
15 Ezez=a
Ez2e
z=a −15 Ezez=a Ez
ez=a
ΓrefΩ
• Maximiser le transfert d’énergie
• Pertes Joules minimales
• Couple maximal
• Ondulations de couple fortement réduites.
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Ensemble génératrice-convertisseur tolérant aux défauts
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S
Répartition du couple électromagnétique
de la génératrice
Figure 1 : Répartition fictive du couple, valeurs instantanées
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Temps (s)
Rép
arti
ton f
icti
ve
du c
ouple
ref
ref
ref ref
ref ref
ref ref ref
ref
Figure 1 : Répartition fictive du couple, valeurs moyennes
5 6 7 8 9 10
x 10-3
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
Temps (s)
Rép
arti
tio
n f
icti
ve
du c
oup
le
ref
ref
ref ref
ref ref
ref ref
ref ref
ref
ref
31
Ensemble génératrice-convertisseur tolérant aux défauts
R
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T
A
T
S
Structures de commande
PMSG
Ω, θ
a b
c d
e
o
Vdc/2
-Vdc/2
C
C
N
Iabcde
Kv
X2
Régulateurs auto-oscillant
et génération des PWM
Génération des références
de courant dans le
référentiel abcde
Iabcde, références
Iabcde
𝚪𝐫𝐞𝐟 ou 𝐈𝐦𝐚𝐱
θ
Régulateur
de tension
𝐕𝐝𝐜𝐫𝐞𝐟𝟐
32
Ensemble génératrice-convertisseur tolérant aux défauts
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T
S
Structures de commande
Kv
X2
Régulateurs auto-oscillant
et génération des PWM
Génération des références
de courant dans le
référentiel abcde
Iabcde, références
Iabcde
𝚪𝐫𝐞𝐟 ou 𝐈𝐦𝐚𝐱
θ
Iabcde
a
b c d e
o
N
Vdc/2
-Vdc/2
C
C
PMSG
Ω, θ
Entrées de validation
Régulateur
de tension
𝐕𝐝𝐜𝐫𝐞𝐟𝟐
33
Ensemble génératrice-convertisseur tolérant aux défauts
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A
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S
Redresseur MLI pentaphasé
9.205 9.21 9.215 9.22 9.225 9.23-5
0
5
Temps (s)
Co
ura
nt,
Ia
(A)
9.205 9.21 9.215 9.22 9.225 9.23-5
0
5
Temps (s)C
oura
nt,
Ia
(A)
9.205 9.21 9.215 9.22 9.225 9.23-5
0
5
Temps (s)
Co
ura
nt,
Ia
(A)
34
Ensemble génératrice-convertisseur tolérant aux défauts
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T
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S
9.205 9.21 9.215 9.22 9.225 9.23-5
0
5
Temps (s)
Co
ura
nt,
Ia
(A)
9.205 9.21 9.215 9.22 9.225 9.23-5
0
5
Temps (s)
Co
ura
nt,
Ia
(A)
Redresseur Vienna pentaphasé, Résultats de simulation
Expérimentaux (en cours)
35
Ensemble génératrice-convertisseur tolérant aux défauts
R
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S
U
L
T
A
T
S
Redresseur MLI pentaphasé, mode dégradé suite
à l’ouverture d’une phase de la machine
2.5 2.51 2.52 2.53 2.54 2.55-10
-5
0
5
10
Temps (s)
Coura
nt,
Ia
(A)
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05-10
-5
0
5
10
Temps (s)
Coura
nt,
Ia
(A)
2.5 2.51 2.52 2.53 2.54 2.55-10
-5
0
5
10
Temps (s)
Coura
nt,
Ib (
A)
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05-10
-5
0
5
10
Temps (s)
Coura
nt,
Ib (
A)
36
Ensemble génératrice-convertisseur tolérant aux défauts
R
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U
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T
A
T
S
Redresseur MLI pentaphasé, mode dégradé suite
à l’ouverture d’une phase de la machine
2.5 2.51 2.52 2.53 2.54 2.55-10
-5
0
5
10
Temps (s)
Coura
nt,
Ic
(A)
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05-10
-5
0
5
10
Temps (s)
Coura
nt,
Ic
(A)
2.5 2.51 2.52 2.53 2.54 2.55-10
-5
0
5
10
Temps (s)
Coura
nt,
Id (
A)
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05-10
-5
0
5
10
Temps (s)
Coura
nt,
Id (
A)
37
Ensemble génératrice-convertisseur tolérant aux défauts
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A
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Redresseur MLI pentaphasé, mode dégradé suite
à l’ouverture d’une phase de la machine
Simulation Expérimentaux
2.9 2.91 2.92 2.93 2.940
2
4
6
8
10
Temps (s)
Couple
(N
.m)
0 0.01 0.02 0.03 0.040
2
4
6
8
10
Temps (s)
Couple
(N
.m)
38
Ensemble génératrice-convertisseur tolérant aux défauts
S
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M
M
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I
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E
Objectifs: Optimiser le fonctionnement de l’association génératrice
pentaphasée – Convertisseur AC/DC
Plan
Etat de l’art des défauts
Solutions envisagées
Commande et Stratégies de
commande
Régulateur auto-oscillant
(MRC)
Quelques résultats
Conclusion
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Ensemble génératrice-convertisseur tolérant aux défauts
C
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N
C
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I
O
N
S
• Bon suivi des références de courant en mode et en mode
dégradé
• Validation de la stratégie de commande
• Ondulations de couple fortement réduites en mode dégradé
• Résultats Expérimentaux en cours pour le Vienna pentaphasé
Conclusion