Conception et modélisation d`une machine synchrone à 7 phases à

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Université des Sciences et Technologies de Lille
THESE
présentée pour l’obtention du titre de
Docteur
de
L’Université des Sciences et Technologies de Lille
Spécialité :
Génie Electrique
par :
Fabrice LOCMENT
Conception et modélisation d’une machine synchrone à 7
phases à aimants permanents et flux axial : commande
vectorielle en modes normal et dégradé
Soutenue le 11 décembre 2006 devant le jury composé de :
Mohamed-Fouad BENKHORIS Professeur à l’Ecole Polytechnique de
l'Université de Nantes Rapporteur
Christophe ESPANET Maître de Conférences à l’Université de
Franche-Comté Rapporteur
Benali BOUALEM Docteur Ingénieur de la société ALSTOM Examinateur
Frédéric BOUILLAULT Professeur à l’Université Paris Sud Président
Eric SEMAIL Maître de Conférences à l’Ecole Nationale
Supérieur d’Arts et Métiers de Lille Co-Directeur
Francis PIRIOU Professeur à l’Université des Sciences et des
Technologies de Lille Directeur
Thèse de Fabrice Locment, Lille 1, 2006
© 2007 Tous droits réservés.
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Remerciements
Ce travail a été réalisé au sein de l’équipe Modélisation Etude et Conception de Systèmes
Electromagnétiques (MECOSYEL) du Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique de Puissance
de Lille (L2EP).
Je tiens à remercier Monsieur Frédéric BOUILLAULT, Professeur à l’Université Paris Sud, pour avoir
accepté de présider mon jury de thèse, ainsi que Monsieur Benali BOUALEM, Docteur Ingénieur de
la société ALSTOM, pour sa participation au jury. Je remercie Messieurs Mohamed-Fouad
BENKHORIS, Professeur à l’Ecole Polytechnique de l'Université de Nantes, et Christophe
ESPANET, Maître de Conférences à l’Université de Franche-Comté, pour avoir accepté d’être
rapporteurs de ce mémoire.
Je voudrais exprimer toute ma reconnaissance à mon directeur de thèse, Francis PIRIOU, Professeur à
l’Université des Sciences et des Technologies de Lille (USTL), pour sa totale disponibilité. Je
remercie mon co-directeur de thèse, Eric SEMAIL, Maître de Conférences au centre de Lille de
l’Ecole Nationale Supérieur d’Arts et Métiers (ENSAM), pour son implication totale dans mon travail.
Je suis extrêmement ravi d’avoir travaillé en sa compagnie car outre sa totale disponibilité, son suivi
permanent et ses critiques fondées m’ont permis d’avancer dans ma thèse. Il a su me donner la
confiance nécessaire à l’aboutissement de ce travail.
Je tiens à remercier, de façon moins formelle, tous ceux qui m’ont cotoyé durant ces trois années. Tout
d’abord mes collègues de bureau, Antoine BRUYERE, Yvan CREVITS, Roman GAIGNAIRE et
Peng LI. Tous mes collègues du L2EP et plus particulièrement Messieurs Thomas HENNERON et
Xavier KESTELYN, Maîtres de Conférences, pour m’avoir respectivement apporté leur savoir en
modélisation numérique et en commande des systèmes. Je remercie également Richard BEAREE,
Frederic COLAS et Julien GOMAND pour leur amitié indéfectible.
Je ne peux évidemment que remercier les membres de l’équipe technique du L2EP avec qui j’ai
partagé ces trois années : messieurs Luc BULTEAU, Bernard DETANT, Jean-Jacques
FRANCHAUD, Dominique LORIOL et Marc SUFFYS pour leur disponibilité.
Enfin je remercie ma compagne Catherine pour m’avoir soutenu lors de ces trois années et je lui dédie
ce mémoire.
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Sommaire
Remerciements........................................................................................................................................ 3
Sommaire ................................................................................................................................................ 5
Liste des figures ...................................................................................................................................... 8
Liste des tableaux.................................................................................................................................. 12
Principales notations, abréviations et acronymes.................................................................................. 13
Introduction générale............................................................................................................................. 15
Chapitre I. Etat de l’art.......................................................................................................................... 18
I.1. Les systèmes polyphasés............................................................................................................. 18
I.1.1. Analyse des systèmes « machine polyphasée/convertisseur »............................................. 18
I.1.1.1. Cas des commutateurs de courant................................................................................. 18
I.1.1.1.1. Cas historique de la machine double-étoile............................................................ 18
I.1.1.1.2. Extension aux machines à 5 et 7 phases................................................................. 20
I.1.1.1.3. Inconvénients de cette structure............................................................................. 20
I.1.1.2. Cas des onduleurs de tension pleine onde..................................................................... 21
I.1.1.2.1. Introduction par E. A. Klingshirn des familles d’harmoniques d’une machine
polyphasée [6]-[13] ............................................................................................................... 21
I.1.1.2.2. Inconvénients......................................................................................................... 22
I.1.1.3. Cas des onduleurs de tension à Modulation de Largeur d’Impulsion (MLI)................ 22
I.1.1.3.1. Résolution du problème de filtrage........................................................................ 23
I.1.1.3.2. Différent types de machines alimentées................................................................. 24
I.1.1.3.2.1. Machines à induction à cage........................................................................... 24
I.1.1.3.2.2. Machines synchrones à rotor bobinée ou à réluctance variable...................... 25
I.1.1.3.2.3. Machines synchrones à aimants...................................................................... 26
I.1.1.3.3. Nombre de phases en tant que paramètre de dimensionnement............................. 27
I.2. Approche Multi-machines Multi-convertisseurs......................................................................... 28
I.2.1. Modèle Multi-machines....................................................................................................... 28
I.2.1.1. Modélisation dans la base naturelle .............................................................................. 28
I.2.1.2. Modélisation dans la base de découplage ..................................................................... 29
I.2.1.2.1. Propriétés de Ls...................................................................................................... 29
I.2.1.2.2. Utilisation du concept d’espaces propres............................................................... 30
I.2.2. Modèle Multi-convertisseurs d’un onduleur de tension MLI .............................................. 32
I.2.2.1. Modèle vectoriel ........................................................................................................... 32
I.2.2.1.1. Dans la base naturelle............................................................................................. 32
I.2.2.1.2. Dans la base de découplage.................................................................................... 33
I.2.2.2. Modèle aux valeurs moyennes...................................................................................... 35
I.2.3. Formalismes et Représentation Energétique Macroscopique .............................................. 35
I.2.3.1. Les formalismes vectoriels............................................................................................ 35
I.2.3.1.1. Le vecteur de Fresnel............................................................................................. 35
I.2.3.1.2. Le vecteur d’espace – phaseur complexe [128] ..................................................... 36
I.2.3.1.3. Formalisme pour les systèmes de dimension supérieure à 2.................................. 36
I.2.3.2. La Représentation Energétique Macroscopique (REM) ............................................... 36
Chapitre II. Choix et dimensionnement de la structure......................................................................... 38
II.1. Justification du nombre de phases choisi................................................................................... 38
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