Conception par optimisation multicritère sur le point nominal

Conception par optimisation multicritère sur le point nominal

Cette partie vise à mettre en application l’architecture d’optimisation précédemment développée. Les enjeux sont multiples. Le premier consiste à illustrer les compromis entre les structures de générateurs de forte puissance pour une application éolienne (cahier des charges de JEOLIS). La dominance des topologies est illustrée au travers de fronts de Pareto. Ensuite, les impacts de critères tels que le coût total (coûts des matières premières et de MO), les coûts des matières premières ou la masse sont successivement investigués. Des tendances sont obtenues et les avantages de la double excitation sont détaillés. À la suite de cette série d’optimisations, le même processus de conception par optimisation sera appliqué au prototype de la MSDEs. Cette machine de production d’électricité de 1MVA est le résultat d’une optimisation multi-physique réalisée par l’auteur [6]. La démarche de conception par optimisation multi-structure sera alors confrontée aux performances du prototype de MSDEs. Le modèle présente l’originalité de considérer plusieurs topologies de générateurs. Le passage d’une structure à l’autre est réalisé par l’activation de variables et constantes (cf :section 4.2.1.1, tableau 4.6). Une proposition menée dans cette partie vise à intégrer l’ensemble des structures au travers d’une unique optimisation nommée «All-In-One». Les résultats sont confrontés à la procédure itérative d’une optimisation par structure.

L’ensemble des machines optimales devront satisfaire le point de fonctionnement nominal du cahier des charges en tableau 4.9. Les contraintes magnétiques, électriques, mécanique et géométriques devront également être respectées. L’ensemble des résultats seront normés suivant le prototype JEOLIS. Les enjeux sont multiples. Le premier est de quantifier quelle structure est la mieux adaptée pour un générateur à attaque directe. L’impact des critères économiques ou de la masse sera analysé suivant la dominance des générateurs. Les résultats apporteront également des éléments de réponse sur la contribution des machines à double excitation pour une application éolienne. Les objectifs antagonistes sont le coût total et les pertes totales. Le coût total reprend le modèle technico-économique considérant les coûts des matières premières et de MO. Les pertes totales considèrent les pertes Joules statoriques et rotoriques, les pertes dans les aimants (uniquement pour la MSDEs), les pertes mécaniques et les pertes fer. Les pertes fer sont estimées suivant l’ensemble des modèles analytiques établis dans le chapitre 2 associées aux niveaux d’hypothèses du modèle multi-structure. En se basant sur le critère technico-économique, il parait évident que les MSDE auront un coût total conséquent par rapport à la MSRB conventionnelle en raison de la présence des aimants. À l’inverse, la double excitation devrait contribuer à améliorer l’efficacité du générateur et ainsi réduire les pertes. Ces deux objectifs devraient faire apparaître des compromis entre les structures de générateurs.

La figure 4.19 illustre les fronts de Pareto multi-structure. Les quatre fronts de Pareto référent aux quatre structures de générateurs investiguées. Une discussion est proposée vis-à-vis de chaque structure. Puis, les évolutions des variables, contraintes et grandeurs calculées sont représentées et commentées. Le positionnement du prototype vis-à-vis des structures Pareto optimales sera également justifié. Cette figure présente un véritable compromis entre les structures de générateurs. Une partie du front de Pareto de la MSRB domine toute les MSDE. En raison du critère technico-économique, la MSRB reste le générateur le moins chère à produire pour un niveau de pertes proche du prototype. Le concept JEOLIS est lui dominé en partie par la MSRB. Mais grâce à l’ajout des aimants entre les cornes polaires, ce générateur permet de décroître les pertes. Une remarque générale porte sur le comportement des fronts de Pareto de la MSRB et de JEOLIS. Ces deux fronts présentent discontinuités causées par la variable discrète du nombre de galettes. Ensuite, les allures des fronts de Pareto sont quasi-similaires.

Leurs évolutions sont liées à des principes de fonctionnement proches. Comme initialement prévu, les structures à double excitation série sont dévalorisées sur le plan économique. Néanmoins, les deux structures permettent de réduire significativement les pertes dans le dispositif. La structure de MSDEv est dominée sur l’ensemble du plan coût-pertes. Cette solution semble alors la moins adaptée vis-à-vis de ces deux critères. Cette structure à aimants en V nécessite des coûts de MO importants tant au niveau des découpes de tôle (culasses-pôles et pièces polaires) que sur l’assemblage. La figure 4.20 apporte une analyse supplémentaire concernant l’évolution des fronts de Pareto multi-structure. Cette figure représente l’évolution des variables le long de chaque front. La figure 4.21 reprend les variables de contrôle associées à la boucle d’optimisation imbriquée. La figure 4.22 illustre l’évolution des principales contraintes. Enfin les figures 4.23 et 24 représentent respectivement l’évolution des pertes et des coûts. Le code couleur de ces figures est repris des fronts de Pareto en figure 4.19. Les tirets font références aux bornes inférieures et supérieures des variables et des contraintes.