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Article paru dans le complément ''science & techno'' du journal Le Monde du samedi 14 janvier 2012.

Optimal design of permanent-magnet direct-drive generator for wind energy considering the cost uncertainty in raw materials

Présentation d'un article posté par Judicaël Aubry (judicael.aubry@bretagne.ens-cachan.fr)

Article écrit par Manuel Pinilla et Sergio Martinez du ''Department of Electrical Engineering'', ETSI Industriales, Universidad Politecnica de Madrid, et par Jose Gutierrez Abascal, 2, 28006 Madrid, Spain

lien pour télécharger cet article :
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960148111006070

Intérêt : Démarche d’optimisation robuste vis à vis de paramètres de cout de matières premières

Résumé :

Introduction   

Comment prendre en compte l'aspect incertain de certains paramètres d'un problème d'optimisation de dimensionnement de machines?

       

Approche

Les paramètres incertains considérés sont les paramètres de cout massique des trois matériaux principaux utilisés pour la construction d'une génératrice à aimants permanents : aimants, fer et cuivre.

       

Les auteurs définissent ainsi des scénarios de cout, plus ou moins probables : optimiste, moyen et pessimiste. Chacun des 27 (3*3*3) cas possibles est alors traité de façon déterministe. Au final la solution retenue ne doit pas être trop sensible en termes de valeur de fonction objectif.

       

Ils définissent alors une « fonction de regret » comme la différence entre la valeur optimale de la fonction objectif (obtenue avec le dimensionnement optimal) et celle obtenue avec un autre dimensionnement.

       

Une autre fonction : « value of perfect information » est alors définie comme la valeur moyenne des fonctions de regrets d'un dimensionnement sur l'ensemble des scénarios de cout (valeur moyenne qui doit être pondérée par la probabilité de chacun des scénarios)

       

« The best machine from a stochastic point of view is that which minimizes the value of the perfect information, since the quality of the design, in terms of fitness function, is less dependent on the future cost’s scenario »

       

Variables de dimensionnement

D         Airgap diameter

L          Airgap lengthP Number of pole pairs

hs        Slot height

r           Slot width (bs) to tooth pitch (bs þ bt) ratio

tm        Magnet thickness

rc         Yoke butt thickness (hc) to pole pitch ratio

am       Magnet span to pole pitch ratio

         

Modèle de cout

En plus de prendre en compte les couts des matières premières, les auteurs font l'effort d'évaluer aussi des couts de fabrication sur la base de temps et de couts unitaires d'opération de fabrication.

 par ex 112 tôles assemblées par h, les couts ont été normalisés et exprimés en MU «Monetary Unit » , à mon avis pour des raisons de secret industriel...

       

Une phrase importante à mon sens, car c'est aussi une des principales conclusion de mes travaux de thése : « The electrical machine is part of a larger system, which is the wind turbine, what provides to the generator with the mechanical power that it changes into electrical power. The cost of energy considered has to be the cost of energy of the whole system. Otherwise the solution found could be optimal for the subsystem but totally flawed for the whole system. For instance, minimizing the cost of energy considering just the generator could lead to a low efficient but very cheap machine. »

       

Le cout de l’énergie est évaluée sur un certain nombre de points de fonctionnements (10) correspondants à différentes vitesses de vent.

       

Résultats

Je vous laisse consulter l'article.

Mais les auteurs semblent rencontrer quelques problèmes de convergence. En effet certaines solutions optimales pour un scénario de cout #1 se révèlent être meilleures sur un scénario #2 que celles qui ont justement été optimisées pour ce dernier.

      

Critiques - Éléments de réflexion - Questions  :

·         Les modèles physiques ne sont pas développés. Cela est gênant compte tenu des performances importantes des solutions optimales en terme de pression tangentielle (4 N/m2 au minimum). On lit entre les lignes que la surface d’échange thermique est multipliée par 3 grâce à des ailettes mais rien sur la valeur du coefficient d’échange thermique retenue. Le couple massique est de l’ordre de 20 N.m/kg

·         Pas de prise en compte du convertisseur électronique de puissance.

·         L’approche globale est intéressante car c’est d’abord une étude de sensibilité croisée entre trois paramètres. Notons que cela est plus facile à réaliser en mono qu’en multi objectif. Ensuite le définition d’une fonction de regret est a mon sens pertinente dans le but de trouver une solution optimale robuste vis à vis de ces paramètres de cout.

R

[1]References
[1] Rare Earths. What are they prices? Lynas Corporation Ltd. http://www.
lynascorp.com [last accessed 18.11.11].
[2] Dantzig GB, Glynn PW, Avriel M, Stone JC, Entriken R, Nakayama M. Decomposition
techniques for multi-area generation and transmission planning
under uncertainty. Electric Power Research Institute; 1989. EPRI EL-6484.
[3] Sim DJ, Cho DH, Chun JS, Jung HK, Chung TK. Efficiency optimization of interior
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[4] Cho DH, Jung HK, Sim DJ. Multiobjective optimal design of interior permanent
magnet synchronous motors considering improved core loss formula. IEEE
Transactions on Energy Conversion 1999;14:1347e52.
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[6] Pellegrino G, Cupertino F. IPM motor rotor design by means of a FEA-based
multi-objective optimization. IEEE International Symposium on Industrial
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[7] Cassimere BN, Chan RR, Cale J, Cramer AM, Sudhoff SD. Evolutionary design of
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technologies symposium; 2007. p. 150e7.
[8] Candela C, Morin M, Blazquez F, Platero CA. Optimal design of a salient poles
permanent magnet synchronous motor using geometric programming and
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machines; 2008. p. 1e5.
[9] Cassimere BN, Sudhoff SD. Population-based design of surface-mounted
permanent-magnet synchronous machines. IEEE Transactions on Energy
Conversion 2009;24:338e46.
[10] Wieczorek JP, Gol O, Michalewicz Z. An evolutionary algorithm for the optimal
design of induction motors. IEEE Transactons on Magnetics 1998;34:3882e7.
[11] Bianchi N, Bolognani S. Design optimization of electric motors by genetic
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[12] Li H, Chen Z, Polinder H. Optimization of multibrid permanent-magnet wind
generator systems. IEEE Transactions on Energy Conversion 2009;24:82e92.
[13] San Cristobal JR. Multi-criteria decision-making in the selection of a renewable
energy project in Spain: the Vikor method. Renewable Energy 2011;36:
498e502.

New method for temperature rise test of high power moto-ventilated induction motors

Cet article a été écrit par MIRZAIAN Abdollah, MANUELLE Pascal , DIRAND Olivier, LATEB Ramdane, MERCIER Jean-Charles de la société CONVERTEAM SAS et a été présenté à la conférence EPE-2009 à Barcelone.
Dans cet article, les auteurs présentent une nouvelle méthode pour la détermination au préalable de l'échauffement des bobinages d'une machine asynchrone de 24 MW / 130 rpm / 6600 V / 2496 A / 12 pôles / 13.13 Hz, 1763 kNm utilisée (il y a deux machines) pour la propulsion de paquebot de la société Norwegian Cruise Line.

Ci-dessous est présentée la machine en cours de réalisation.

Le schéma électrique de la partie propulsion est présenté ci-dessous :

La structure des onduleurs de tension (trois niveaux NPC) est présentée ci-dessous :

ALPES ELECTRIQUES, paysages de la houille blanche

Petit cadeau de noël ou petit clin d’œil pour la nouvelle année 2012

Post - it : Sur un cycle de fonctionnement d'une motorisation électrique, est ce que l'énergie perdue est égale à la somme des énergies dissipées associées aux pertes ?

Pour être plus précis, nous sommes capables de déterminer en régime permanent, pour tous les points de fonctionnement dans le plan couple-vitesse, les pertes d'un ensemble convertisseur-machine électrique.
Le convertisseur est un onduleur de tension triphasé deux niveaux à igbt. La machine électrique est une machine synchrone à aimants permanents défluxable électriquement.
La détermination des pertes peut se faire, soit avec des modèles, soit expérimentalement. Pour cette présentation, nous avons déterminé les pertes expérimentalement.
Les pertes cuivre, en connaissant la valeur de la résistance des phases et en connaissant la valeur efficace des courants à chaque instant du cycle.
Les pertes dans l'onduleur, en faisant l'hypothèse qu'il n'y a que des pertes par conduction et en estimant la valeur moyenne du courant dans les transistors.
Les pertes mécaniques et fer, globalisées, en mesurant les pertes à vide en fonction de la vitesse de rotation.

La question est de savoir si, sur un cycle de fonctionnement, l'énergie perdue qui est quantifiée en connaissant la puissance instantanée sur le bus DC, est  égale à la somme des énergies dissipées associées aux pertes, déterminées en régime permanent.

L'énergie perdue est égale à l'intégrale de la puissance instantanée sur le bus DC durant un cycle.
Les énergies dissipées associées aux pertes sont déterminées en connaissant les évolutions instantanées des différentes pertes et en calculant leurs intégrales durant un cycle.

Sur les figures suivantes, sont représentées les évolutions de la vitesse de rotation, de la puissance instantanée sur le bus DC (produit de la tension du bus DC par le courant du bus DC) et  des différentes pertes.

Le bilan énergétique donne :
Energie perdue durant un cycle = 9600 J
Pertes méca et fer moyennes x durée du cycle = 8530 J
Pertes dans l'onduleur moyennes x durée du cycle = 335 J
Pertes cuivre moyennes x durée du cycle = 820 J

The Future of High Power Electronics in Transmission and Distribution Power Systems

Auteurs : Colin C Davidson, Guillaume de Préville

Laboratoire : AREVA T&D (Transmission and Distribution – http://www.areva-td.com)

Parution : congrès epe 2009, Barcelona

Intérêt : Revue des structures des convertisseurs d’électronique de puissance pour les futures applications dans le domaine du transport et de la distribution de l’énergie électrique

Résumé :

Le niveau de la haute tension des liaisons à courant continu (HVDC) utilisant des redresseurs-onduleurs à thyristors est amené à augmenter comme le montre la figure 1, reproduite ci-dessous :

 En parallèle au développement de ces liaisons à courant continu, se développent des applications utilisant des onduleurs-redresseurs de tension, VSC-HVDC, pour Voltage-Sourced Converter HVDC.

Dans l’article, sont décrites quelques solutions pour résoudre le problème de la tenue en tension des IGBT, composants commandables à l’ouverture et à la fermeture, qui sont envisagés pour ces applications.

La première solution consiste en la mise en série des composants dans une structure classique dite à ‘’2 niveaux’’.

La deuxième solution consiste à utiliser une structure dite ‘’à trois niveaux avec diode clampée’’.

Une troisième solution consiste à utiliser des onduleurs de tension multi-niveau modulaires.

Un principe est basé sur la mise en série de cellules indépendantes, comme indiqué à la figure 5, reproduite ci-dessous :

 Une autre possibilité est présentée à la figure 6, reproduite ci-dessous :

 Ensuite sont décrites des applications de ces structures d’onduleur de tension, essentiellement le compensateur statique (d’énergie réactive) nommé le ‘’statcom’’.

Critiques-commentaires

• Article généraliste
• Photo d’un arc lors d’un essai à 800 kV d’un redresseur à thyristors
• La problématique de la régulation des tensions flottante n’est pas abordée

Références bibliographiques

[1] Arrillaga J., High Voltage Direct Current Transmission, ISBN 0 85296 941 4.

[2] Flourentzou N., Agelidis G., Demetriades G.D., VSC-Based HVDC Power Tranmission Systems: An

Overview, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol 24, No. 3, March 2009.

[3] Lesnicar A. and Marquardt R.: An innovative modular multi-level converter topology for a wide power range, IEEE Power Tech Conference, Bologna, Italy, June 2003

[4] Knight R.C., Young D.J., Trainer D.R., Relocatable GTO-based Static-Var Compensator for NGC

Substations, CIGRE Session 1998, Paris.

Design Procedure of Bearingless High-speed Switched Reluctance Motors

Auteurs : Li Chen, Wilfried Hofmann

Laboratoire : Department of Electrical Machines and Drives, Technische Universität Dresden

Parution : SPEEDAM 2010, International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion

Résumé :

Dans cet article, les auteurs présentent la modélisation et la réalisation de la partie active d’un palier magnétique intégré dans la structure d’une machine à réluctance variable. La partie mesure est classique. Le deuxième palier radial est un roulement à billes classique. Les auteurs utilisent une machine à réluctance variable 8-6. Le principe d’alimentation en courant est présenté grâce à la figure 1, ci-dessous :

En plus du courant permettant de crée le couple, deux bobinages (et non pas deux phases) sont alimentés simultanément pour créer une force d’attraction (uniquement) selon deux axes à 90°.

Dans la table 1, reproduite ci-dessus, sont présentées les bobines actives selon la position du rotor.

Les équations donnant le couple et les forces de lévitation sont présentées.

Le principe mécanique est présenté à la figure 4 (ci-dessous) :

On peut voir qu’il y a deux roulements à billes. Celui de gauche est monté sur l’axe du rotor, tandis qu’avec celui de droite un entrefer g_c est autorisé. Compte tenu des caractéristique du roulement à billes de gauche, la valeur de 0,15 mm est choisi pour g_c (0,76 mm au max, car l’angle θ ne peut pas dépasser 16’).

Des éléments pour le dimensionnement électromagnétique sont proposés.

La partie V, aborde les simulations par éléments finis faites avec ansys. Tout d’abord l’inductance, mais le plus intéressant est la figure 8, où sont représentés les courants des bobines 1 2 3 4 nécessaires à la création d’une force radiale de 20 N selon l’axe y, tandis que celle selon l’axe x est nulle.  A la figure 9, sont présentés les courants des quatre autres bobines. Un convertisseur bidirectionnel  en courant est nécessaire. A la figure 10, sont présentées les forces radiales, selon les deux axes x et y, simulées.

Critiques :

•  Sujet original
• La partie expérimentale doit suivre
• Quelle est la conséquence des ondulations de couples ?
• Quelle est la conséquence des forces radiales non constantes ?
• 20 N sont ils suffisant ?
• A haute vitesse, 30 000 tr/min, soit 3 kHz électrique, est il possible d’asservir les courants ?

Références bibliographiques

[1] R. Bosch, “Development of a bearingless electric motor,” in Proc. ICEM ’88, vol. 3, pp. 373-375.

[2] C. M. Stephens, “Fault detection and management system for fault tolerant switched reluctance motor drives,” in Conf. Rec. IEEE-IAS Annu. Meeting, 1989, pp. 574–578.

[3] M. Takemoto, H. Suzuki, A. Chiba, T. Fukao, and M. A. Rahman, “Improved analysis of a bearingless switched reluctance motor,” IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. 37, pp. 26–34, Jan./Feb. 2001.

[4] L. Chen, W. Hofmann, “Analytically computing winding currents to generate torque and levitation force of a new bearingless reluctance motor,” EPE-PEMC 2006., pp. 1058-1063, Portroz Slovenia, September/Octorber 2006.

[6] T, Schneider, A. Binder, L. Chen, “Design procedure of bearingless high-speed permanent magnet motors,” ISEF 2005, September 2005.

Pour aller plus loin : 
Magnetic Bearings and Bearingless Drives
By
Akira Chiba
Tadashi Fukao
Osamu Ichikawa
Masahide Oshima
Masatugu Takemoto, Tokyo University of Science and Musashi Institute of Technology, Japan
David Dorrell, Senior Lecturer, University of Glasgow, UK

Description
The application of bearingless drives is emerging as an important technique in the areas of high-speed machinery and motion-control, and this book aims to provide a thorough grounding in the principles behind this cutting-edge technology. Basic principles are described in detail with practical examples to aid understanding, and the different types of bearingless drives are introduced, along with coverage of test machines and applications. Aimed at practising electrical and mechanical engineers and advanced students, Magnetic Bearings and Bearingless Drives provides an essential guide to an area of engineering previously only fully covered by large numbers of academic papers.