La MSDEs : structures et solutions retenues pour la forte puissance

Structures et solutions retenues pour la forte puissance

Ces travaux ont la volonté de proposer des outils d’aides décisionnelles aux choix de structures de générateurs. Dans la section précédente, le principe de nombreuses topologies de MSDE a été introduit. Néanmoins, pour des applications de forte puissance, ces MSDE ne sont pas tous adaptées. En adéquation avec le besoin industriel, le positionnement du choix des structures a été orienté vers les machines à pôles saillants.

La MSDEs

Les travaux [6], [36] sont intégrés dans une démarche de développement des méthodologies de conception des machines électriques basées sur la modélisation et l’optimisation multi-physique et multi-objectif. Ces travaux ont conduit à un prototype de MSDE série. Ce prototype est basé sur une machine à pôles saillants avec des aimants permanents collés en surface des pôles. Le choix de cette technologie a été motivé par la simplicité de conception.
La construction de ce prototype a été menée en deux phases bien distinctes. La première étape correspond à une MSRB conventionnelle dont le rotor est illustré en figure 1.26.a. À partir de ce générateur, des essais ont été réalisés. Ils seront exploités au cours de ce mémoire. Ensuite, le rotor du prototype a été extrait afin d’y coller les aimants en surface des pôles. La figure 1.26.b illustre ce même rotor avec les aimants collés en surface d’un pôle. La machine est alors une MSDE série. Une nouvelle séquence d’essais a été réalisée. Ce prototype sera nommé MSDEs (MSDE à aimants en surface).
La particularité de ce générateur est qu’il ne présente pas le même entrefer mécanique entre le passage du rotor de la MSRB à la MSDEs. Les aimants en surface sont placés dans l’entrefer mécanique, ce qui limite la hauteur des aimants. En revanche, l’entrefer magnétique reste identique pour les bobines.
Le principe de cette machine est illustré en figure 1.27. La figure 1.27.a représente la cartographie d’induction de la MSRB. La figure 1.27.b se base sur le même principe, mais les bobines ne sont pas alimentées, les aimants contribuent directement au flux utile. La figure 1.27.c illustre la combinaison des deux sources de flux. La machine est alors une MSDEs.

JEOLIS

Le projet JEOLIS porté par JEUMONT Electric a été soutenu par l’ADEME dans le cadre de l’Appel à Projet « GRAND EOLIEN ». L’objectif est de mettre en œuvre un générateur qui combine les avantages des machines à rotor bobiné et des machines à aimants pour une application éolienne à attaque directe. L’intérêt est alors de combiner une faible quantité d’aimants tout en gardant les bobines d’excitations pour faciliter le contrôle du générateur.
Cette génératrice éolienne est à attaque directe. Cette technologie présente l’avantage de s’affranchir du multiplicateur (réducteur). Le multiplicateur qui reste la première cause de maintenance et engendre des pertes supplémentaires. La figure 1.28 propose quelques photos du prototype JEOLIS durant la phase de test et lors de son installation.
Le concept JEOLIS est basé sur le principe de la MSDE parallèle (1). Ce générateur utilise des aimants permanents placés dans l’espace inter-corne [25]. Son principe de fonctionnement est illustré en figure 1.29.
La figure 1.29.a illustre la cartographie d’induction du prototype avant le montage des aimants.
Cette machine est alors une MSRB qui présente la particularité d’être fortement saturée. Le concept JEOLIS repose sur l’intégration d’aimants entre les cornes polaires. La figure 1.29.b représente la cartographie d’induction de cette MSDE parallèle lorsque le courant d’excitation est nul. Dans ce cas, le flux créé par les aimants est alors court-circuité au rotor. La figure 1.29.c reprend la cartographie d’induction de JEOLIS avec les bobines alimentées. Le flux crée par les aimants vient alors en opposition du flux créé par l’excitation. Ce principe permet d’une part de compenser le flux de fuites entre cornes, mais également de réduire significativement la saturation dans le pôle. De par les nombreux essais réalisés sur cette machine, le concept JEOLIS sera conservé pour l’étude des structures de générateurs à haute efficacité énergétique.

MSDEv

Une nouvelle topologie de MSDE est au centre de ces travaux. Alors que la MSDEs limite la quantité d’aimant de par son ouverture polaire, une solution est proposée en vue d’accroître l’efficience de la machine. Cette nouvelle structure repose sur une machine à pôles saillants dans laquelle des aimants en « V » sont enterrés dans les pôles. Cette topologie de machine est nommée MSDEv. Ce concept est illustré en figure 1.30 à partir des dimensions de la MSDEs.
Cette réflexion sur la MSDEv est partie d’une des problématiques de la MSDEs. Les aimants placés en surface des pôles subissent des variations d’inductions liées aux effets de dentures. Ces variations dues à l’alternance dents/encoches sont le siège de courants induits à l’origine de pertes dans les aimants. L’intérêt de la MSDEv est que l’induction dans le pôle est relativement constante, et en conséquence les pertes sont limitées. Néanmoins, cette structure reste une MSDE série, en conséquence la bobine d’excitation voit son efficacité réduite due à la perméabilité des aimants permanents. Cette structure est une nouvelle fois dans le compromis puissance massique (aimants) et facilité de contrôle du flux (bobines). D’un point de vue conception, cette nouvelle structure est nettement plus complexe que la MSDEs. La localisation des aimants en « V » dans le pôle nécessite des nouveaux procédés de fabrication. Aux vues des dimensions de la machine, une insertion des aimants n’est pas possible. Ainsi, une proposition est menée autour de la figure 1.32.

Pertes et efficacité énergétique

L’efficacité énergétique consiste à assurer une même production en une consommation minimale d’énergie. Pour un générateur de forte puissance, ce principe revient à assurer un même point de fonctionnement tout en limitant les pertes. Néanmoins, les origines des pertes dans les générateurs synchrones sont diverses. Grâce à des données de calculs et d’essais de machines électriques produites par JEUMONT Electric, le diagramme en figure 1.33 illustre les tendances sur les pertes dans les générateurs synchrones. Ces statistiques sont fondées sur huit générateurs à pôles saillants d’une polarité de 6 à 48 pôles pour une puissance allant de 900kVA à 30MVA. Ces données sont issues des points de fonctionnement nominal de chaque générateur. Ce diagramme ne prétend pas définir une généralité sur les origines des pertes dans les générateurs de forte puissance. Cependant, la diversité des machines capitalisées permet de donner un ordre de grandeur sur les proportions et l’origine des pertes.

Dimensionnement par optimisation des structures

La conception des systèmes électriques est en pleine évolution motivée par les besoins sociétaux d’amélioration de l’efficacité énergétique. Ces systèmes, telles les machines électriques, ont des obligations de performances avec des cahiers des charges rigoureux. Ces obligations incitent le concepteur à intégrer des nouvelles méthodologies de conception pour répondre à ces contraintes. Ainsi, les paragraphes suivants visent à développer le positionnement scientifique et industriel de la conception par optimisation des générateurs. Ce positionnement est dirigé vers des outils de conception dédiés à la prise de décision sur les topologies de générateurs pour des applications de forte puissance.

L’optimisation au service de la conception

Les méthodes d’optimisation sont en parfaite adéquation avec les besoins de conception. La figure 1.34 propose de détailler synthétiquement le processus de conception par optimisation d’un générateur électrique. Ce processus est développé selon l’interaction entre le concepteur et les différentes phases de conception du système. Suivant un cahier des charges et des spécifications techniques définies, le concepteur doit procéder à des choix préliminaires qui figent le processus. Ces décisions limitent le processus de conception, notamment lors du choix du type de générateurs.
La formulation du problème d’optimisation intervient en vue de proposer des solutions optimales suivant un nombre important de variables et de critères. Ces critères sont généralement retranscrits sous formes de contraintes et de fonctions objectifs.
Lors de la résolution du problème, le concepteur peut bénéficier des méthodes d’optimisation qui lui permettent de résoudre des problèmes complexes en adéquation avec la formulation du problème. Ces méthodes d’optimisation permettent entre autre d’explorer l’ensemble de l’espace de conception. Cette démarche permet de trouver la solution la mieux adaptée aux critères imposés. Le concepteur peut également obtenir des nouvelles solutions et ainsi améliorer son expertise. De nombreuses méthodes de conception par optimisation sont disponibles. Celles-ci nécessitent un savoir-faire quant au choix de l’algorithme et des paramètres les mieux adaptés par rapport aux modèles de conception. Suivant ces modèles, la notion de temps de calcul impacte directement ce processus itératif.
Enfin, la dernière étape de ce processus intervient sur les résultats de la résolution du problème de conception. Des outils dédiés à des analyses plus fines permettent de corriger les résultats optimaux. D’une part, ces analyses permettent de conforter la prise de décision du concepteur sur les solutions optimales. D’autre part, cela permet de quantifier l’impact de ces résultats optimaux par rapport aux solutions existantes.
Ce processus de conception parait s’exécuter de façon séquentielle. Néanmoins, le concepteur doit généralement revenir sur les différentes étapes qui précèdent l’analyse des résultats pour bonifier ce processus. Ce retour sur expérience peut aller du simple changement de paramètre d’algorithme, en passant par la formulation du problème, jusqu’au changement des spécifications techniques.

L’optimisation, une alternative pour le choix des structures

Lors du processus de conception, le choix de la topologie de générateur fait généralement office d’une connaissance a priori.
Types de ge ne rateurs
Points de fonctionnements
Rendement /
Masse/Cou t/Encombrement Variables
Contraintes
Objectifs
Correction EF
Gain solutions existantes
Algorithmes
Points initiaux
Pre cision
MSDE, ce raisonnement devient difficilement justifiable. Le concepteur voit une surabondance de solutions qui pourraient subvenir à un même besoin.
Pour les machines non-conventionnelles, bon nombre d’auteurs investiguent de nouvelles structures en démontrant leurs avantages et inconvénients. Pour les machines conventionnelles, de nombreuses références proposent également des articles orientés sur la synthèse et la comparaison des structures. Les conclusions, bien qu’intéressantes, sont généralement limitées par la conception préalablement réalisée. Dans la littérature, peu de travaux proposent d’intégrer un choix de structures au cœur d’un même processus de conception [39], [40]. Ce constat est lié en partie à l’obstacle de généricité des modèles. Ceux-ci doivent assurer une certaine validité pour un ensemble de machines. C’est vers ce travail original que s’oriente cette thèse.
L’objectif de ces travaux est dédié à l’aide décisionnelle sur les structures de générateurs. Les enjeux sont alors la considération d’un ensemble de structures de générateurs au travers d’un unique processus de conception par optimisation. Cette démarche sera nommée « multistructure » tout au long de ce mémoire. Le principe du processus de conception est développé en figure 1.35. L’intérêt de la méthodologie repose sur des modèles de conception dédiés à un ensemble de générateurs à pôles saillants. Ainsi, un même processus de conception propose d’intégrer les topologies de MSRB, MSDE parallèle (1), MSDEs et MSDEv. Le troisième chapitre présente le développement de la modélisation multi-structure.