I R E Ensemble génératrice-convertisseur tolérant aux ... · Redresseur MLI, Redresseur Vienna...

I

R

E

E

N

A

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


S

O

M

M

A

I

R

E



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


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


D

E

F

A

U

T

S

o PMSG

Ω, θ

Convertisseur

MLI

N

Charge Turbine


convertisseur »


/

Charges ilôtées

Défaut

6


D

E

F

A

U

T

S

o PMSG

Ω, θ

Convertisseur

MLI

N

Charge Turbine


convertisseur »


/

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).

7


D

E

F

A

U

T

S

o PMSG

Ω, θ

Convertisseur

MLI

N

Charge Turbine


convertisseur »


/

Charges ilôtées

Recueils de fiabilité publiés

Source: Errabelli R.R. and al, 2011: IEEE

- Interrupteurs de puissance 50%,

- Contrôleurs numériques (17%),

- Capteurs (reste)

8


D

E

F

A

U

T

S

o PMSG

Ω, θ

Convertisseur

MLI

N

Charge Turbine


convertisseur »


/

Charges ilôtées


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


D

E

F

A

U

T

S

o PMSG

Ω, θ

Convertisseur

MLI

N

Charge Turbine


convertisseur »


/

Charges ilôtées


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

10


D

E

F

A

U

T

S

o PMSG

Ω, θ

Convertisseur

MLI

N

Charge Turbine


convertisseur »


/

Charges ilôtées


Source: Schwab. and al, 2003: IEEE, Flieller and al, 2011: Livre

11


S

O

M

M

A

I

R

E



Plan



Stratégies de commande


(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 »

12


S

O

L

U

T

I

O

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,

13


S

O

L

U

T

I

O

N

S

Structures triphasées sans accès au point



Yeh. and al, 2007: IEEE, BOL. and al, 2000: IEEE,

14


S

O

L

U

T

I

O

N

S

Structures triphasées sans accès au point



Yeh. and al, 2007: IEEE, BOL. and al, 2000: IEEE,

15


S

O

L

U

T

I

O

N

S

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)

~ ~ ~

16


S

O

L

U

T

I

O

N

S

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

17


S

O

L

U

T

I

O

N

S

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

18


S

O

L

U

T

I

O

N

S

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

19


S

O

M

M

A

I

R

E



Plan



Commande et Stratégies de

commande


(MRC)

Quelques résultats

Conclusion

- Normal et Dégradé

- Commande en mode VF et

mode PQ

- Commande rapprochée du

convertisseur Statique

- Optimisation du transfert de

puissance

20


C

O

M

M

A

N

D

E

Commande et Stratégies de commande

Commande en mode P-Q

Sources

Maria Andreica, 2009, Thèse de Doctorat

21


C

O

M

M

A

N

D

E


Commande en mode V-f

Sources

Maria Andreica, 2009, Thèse de

Doctorat

22


C

O

M

M

A

N

D

E




• Maximiser le transfert d’énergie

• Pertes Joules minimales

• Couple maximal

• Ondulations de couple fortement réduites.

- Multi-variables

- Fem non sinusoïdale (Exploitation

des harmoniques)

Complexité

23


C

O

M

M

A

N

D

E


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 ????

24


C

O

M

M

A

N

D

E


• 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

25


S

O

M

M

A

I

R

E



Plan




commande


(MRC)

Quelques résultats

Conclusion

- Principe de fonctionnement

- Avantages

26


R

E

G

U

L

A

T

E

U

R

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

27


S

O

M

M

A

I

R

E



Plan




commande


(MRC)

Quelques résultats

Conclusion

28


R

E

S

U

L

T

A

T

S

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


R

E

S

U

L

T

A

T

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.

30


R

E

S

U

L

T

A

T

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


R

E

S

U

L

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


R

E

S

U

L

T

A

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


R

E

S

U

L

T

A

T

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


R

E

S

U

L

T

A

T

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


R

E

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


R

E

S

U

L

T

A

T

S



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


R

E

S

U

L

T

A

T

S



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


S

O

M

M

A

I

R

E



Plan




commande


(MRC)

Quelques résultats

Conclusion

39


C

O

N

C

L

U

S

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

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