Etude comparative de groupes électrogènes embarqués à large

Nº ordre : 2447 Année 2007
THÈSE
Présentée
pour obtenir le titre de
DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE
Spécialité : Génie Electrique
Par
Bayram Tounsi
Ingénieur Génie électrique – DEA Génie électrique électronique
Etude comparative de groupes électrogènes
embarqués à large gamme de vitesse variable
associant machines à aimants permanents
et conversion statique
Soutenue le 30 Janvier 2006 devant le jury composé de:
Thèse préparée au Laboratoire Plasma et Conversion d’Energie de l'ENSEEIHT
Unité Mixte de Recherche N° 5213 au CNRS
M. Dakyo Brayima Président et Rapporteur
M. Koczara Wlodzimierz Rapporteur
M. Andrieux Christian Examinateur
M. Tientcheu Mathias Examinateur
M. Roux Nicolas Examinateur
M. Astier Stéphan Directeur de Thèse

RESUME
Cette thèse propose une étude de différentes solutions de conversion d’énergie
constituées par un alternateur à aimants permanents accouplé à un moteur thermique
fonctionnant à vitesse variable et connecté à un dispositif de conversion statique de
l’énergie électrique pour alimenter un réseau à courant continu. Le but est d’optimiser
le groupe électrogène comme source d’énergie autonome pour des applications
embarquées, tels que les camions frigorifiques ou la climatisation des bus.
Dans ce type d’application le système de conversion statique assure la stabilité de la
consommation en dépit de la vitesse d’entraînement du véhicule.
Mais la large plage de variation de vitesse du moteur d’entraînement pénalise le
dimensionnement des composants semi-conducteurs. C’est pourquoi différentes
solutions visant à réduire le coût résultant de ce surdimensionnement sont proposées et
analysées d’abord au plan statique, puis au plan dynamique sur un profil de vitesse
représentatif.
Un comparatif global est dressé pour un cahier des charges visant à fournir une
puissance de 7kW sur un bus continu maintenu à 700V sur une plage de vitesse
comprise entre 1500 et 6000rpm.
Les différentes solutions portent d’une part sur la structure des machines synchrones à
aimants permanents considérées : sans pièces polaires, avec pièces polaires, avec
amortisseurs ou à double étoile. Elles portent d’autre part sur l’électronique associée :
redresseurs à diodes, hacheur boost ou double boost, redresseur MLI. Un système
d’autopilotage sans capteur est étudié pour cette dernière solution.
Mots clés :
Machine synchrone à aimants permanents, amortisseurs, redresseur MLI, composant
de puissance, dimensionnement, commande sans capteur, vitesse variable

ABSTRACT
Thesis title:
“Comparative study of power electronics converters associated to large variable speed
permanent magnet alternator for embedded generating set”
Abstract:
This thesis presents a comparative study of different solutions for an energy
conversion device including a permanent magnet alternator coupled with an internal
combustion engine working at variable speed on a large range, typically between
1500rpm and 6000rpm. The aim is to optimize an autonomous electric generation set
for embedded applications.
In order to reduce the power components cost, different solutions are proposed and
analysed in static and dynamic conditions.
Since our system includes a permanent magnet machine and an AC/DC converter, we
consider for each solution different machine structure (Interior Magnet Machine,
Surface Mounted Magnet Machine, damping machine) and different converter
structure (boost, double boost, PWM rectifier, Diode Bridge).
Key words:
Synchronous alternator, damping machine, PWM rectifier, power dimensioning,
sensorless control, power component.

REMERCIEMENTS
Au terme de trois années passées au LEEI, je suis très heureux de pouvoir exprimer
mes remerciements à tous ceux qui ont contribué à l’aboutissement de ce travail de
doctorat.
D’abord les membres du jury :
• Monsieur Brayima DAKYO, Professeur à l’université du Havre et directeur du
laboratoire GREAH, pour m’avoir fait l’honneur de présider cette thèse et
d’accepter la lourde tâche de rapporteur. Je le remercie également pour ses
questions pertinentes ainsi que le grand intérêt qu’il a manifesté à l’égard de ce
travail.
• Monsieur Wlodzimierz KOCZARA, Professeur à l’université des technologies
de Varsovie en Pologne (Warsaw University of Technology, Faculty of
Electrical Engineering), pour m’avoir fait l’honneur de rapporter sur ce travail
et d’accepter de faire le déplacement pour la soutenance de thèse. Je voudrais le
remercier aussi pour son regard critique qui a enrichi les perspectives de ce
travail de thèse.
• Monsieur Christian ANDRIEUX, Ingénieur docteur au sein de LEROY
SOMER pour sa rigueur, ses fructueux conseils et son regard critique qui m’a
permis de peaufiner mes travaux durant trois années de thèse.
• Monsieur Mathias TIENTCHEU YAMDEU, Ingénieur LEROY SOMER pour
sa gentillesse et ses conseils toujours bénéfiques.
• Monsieur Nicolas ROUX, Maître de conférences à l’ENSEEIHT pour avoir
accepté de faire partie de son premier jury de thèse. Je tiens à le remercier pour
toutes ses questions pertinentes et je lui souhaite une carrière avec beaucoup de
réussite.
• Monsieur Stéphan ASTIER, Professeur à l’ENSEEIHT pour m’avoir encadré et
dirigé pendant trois ans de thèse. Je lui exprime toute ma gratitude pour la
confiance qu’il a pu m’accorder ainsi que sa disponibilité permanente. Grâce à
ses qualités humaines, scientifiques et sa vaste culture générale il était fort
agréable de travailler avec Stéphan. Merci beaucoup.

Je remercie également
• Monsieur Jean Marie ANDREJAK, chef du service Recherche et
Développement électronique au sein de LEROY SOMER pour son
accueil et la possibilité qu’il nous a donnée de travailler sur un sujet
passionnant.
• Messieurs PELTIER et SAINT MICHEL pour m’avoir permis de
travailler sur un sujet industriel innovant.
• Monsieur Maurice FADEL, directeur du laboratoire LEEI pour son
accueil et pour m’avoir permis de travailler dans de bonnes conditions.
• Monsieur Xavier ROBOAM, directeur du groupe G-ENESYS pour son
accueil au sein du groupe et les efforts qu’il fait afin de rendre
l’ambiance agréable entre thésards et permanents.
• Mesdames BODDEN, MEBEREK, BALON (LEEI) pour leur
gentillesse et leur disponibilité durant ces trois années d’embuches
administratives.
Je voudrais maintenant remercier les collègues du laboratoire
• Markos ou tetes ou markitos ou bourrikos ou martetes ou étarra ou kikos ou
kikoch. Voici les surnoms que j’ai donnés à mon binôme basque de 3 ans
passés à Toulouse. Avec lui on bossait avec acharnement les fins de
semaines et toutes nos discussions tournaient autour des machines et
convertisseurs. On faisait même des manipulations au gate, au misti et à
saint pierre. Malheureusement ce n’est pas sa mère Isabel qui lui choisit ses
vêtements. Sa phrase fétiche :’HARIARIIIIII’
• Ali ou aloulou. Compagnon de bureau et bien évidemment des pauses café.
C’est l’inventeur du langage « OU KOI ». Ali a créé la logique floue. Ces
discours sont tellement flous que même lui oublie ce qu’il voulait dire. Et
comme il dit ‘Ana maskine baina al masakin’.
• Valentin ou vladimir ou azizi ou romank ou valé. C’est un roumain fils de
Vasile et Aurica et futur époux de la très calme Mihaela. Premier roumain
supporter du CSS. Toujours en face de moi dans le bureau et toujours
partant pour écouter une chanson sur mosaique FM. Sa phrase fétiche
‘Azizi ou Koi’.
• Marcus ou inio ou viadinio ou carinio bref n’importekoi inio. Un fervent
supporter de l’équipe de France et l’Argentine. Ses longs doigts et ses yeux
font peur surtout quand le Brésil perd. Bientôt il va participer à la dictée de
Bernard pivot tellement il est fort en langue française. Et comme il dit ‘J’en
marre’.
• François ou pigachette ou rouleuse ou francis. Heureusement que sa copine
Sophie s’occupe du choix de ses vêtements. Un bon gar du nord qui doit à
mon avis arrêter de fumer. J’adore les soirées chez lui surtout quand je
discute avec ses voisins. Sa phrase fétiche ‘Je suis khabat’.