Modélisation et réalisation d'une chaine de conversion électromécanique à aimants permanents à hautes fréquences

L'étude des chaînes d'entraînement électrique des machines à haute fréquence dans les systèmes d'entraînement électrique des transports sera l'objectif principal de cette thèse. Les problèmes qui doivent être étudiés et développés sont le rendement global du système. De plus, des recherches ont été menées sur la technologie des matériaux à large bande interdit pour augmenter le rendement de l’onduleur et du moteur électrique. L'objectif de l'étude est d'identifier, de modéliser et de valider la conception et la mise en œuvre d'une chaine de conversion électromécanique à aimants permanents à haute fréquence. Les résultats expérimentaux en tenant compte des défauts de ses composants montrent que l'onduleur SiC MOSFET an un écart de chute de tension de phase supérieur à celui des IGBT dans les mêmes conditions de fonctionnement mais le temps de mort peut être réduit grâce à l'avantage de l'onduleur SiC MOSFET qui fonctionne rapidement. C'est pourquoi l'onduleur SiC MOSFET an une chute de tension inférieure à celle d'un IGBT lorsque le temps mort est défini à 0,5 μs. Pour les effets de temps mort (t_d) des onduleurs MLI, un modèle analytique des harmoniques de tension est présenté. Le Taux de Distorsion Harmonique de la tension de sortie (TDH_v) avec et sans temps mort (t_d) a été analysé à l'aide d'une seule série de Fourier. Les résultats expérimentaux et l'analyse comparative par modèle analytique démontrent que la solution harmonique est correcte. Le rendement de l'onduleur SiC MOSFET dépasse celui de l'onduleur IGBT, ce qui est encore plus évident lorsque l'onduleur fonctionne à des fréquences de commutation élevées. Les onduleurs SiC MOSFET fonctionnent mieux pour les applications à haute fréquence. Nous avons réalisé une modélisation et une mise en œuvre expérimentales de la machine à aimants en régime dynamique. Les résultats expérimentaux à vitesses variables montrent un contrôle de la vitesse même à des fréquences fondamentales élevées autour de 2 kHz. Nous avons également pris en compte la diminution de la qualité du courant à mesure que la fréquence fondamentale augmente, nécessitant ainsi l'utilisation de fréquences de commutation élevées, ce qui est possible grâce à la technologie SiC pour résoudre ce problème. La caractérisation en charges, les résultats expérimentaux mettent en évidence la détérioration des performances des machines à haute vitesse. Ceci est principalement dû à l’augmentation des pertes fer et mécaniques qui sont inévitables dans les machines à aimants permanents fonctionnant à hautes fréquences.

Summary:

The study of electric drive chains for high-frequency machines in transportation electric drive systems will be the main objective of this thesis. The problems to be studied and developed are overall system efficiency. In addition, research has been carried out into forbidden broadband materials technology to increase inverter and electric motor efficiency. The aim of the study is to identify, model and validate the design and implementation of a high-frequency permanent magnet electromechanical conversion chain. Experimental results, considering component faults, show that the SiC MOSFET inverter has a higher phase voltage drop than IGBTs under the same operating conditions, but the dead time can be reduced thanks to the advantage of the SiC MOSFET inverter's fast operation. This is why the SiC MOSFET inverter has a lower voltage drop than an IGBT when the dead time is set to 0.5 μs. For the dead time effects (t_d) of PWM inverters, an analytical model of voltage harmonics is presented. The Harmonic Distortion Rate of the output voltage (TDH_v) with and without dead time (t_d) has been analyzed using a single Fourier series. Experimental results and comparative analysis by analytical model show that the harmonic solution is correct. The efficiency of the SiC MOSFET inverter exceeds that of the IGBT inverter, which is even more evident when the inverter is operated at high switching frequencies. SiC MOSFET inverters work best for high-frequency applications. We have carried out experimental modeling and implementation of the magnet machine in the dynamic regime. Experimental results at variable speeds show speed control even at high fundamental frequencies around 2 kHz. We have also considered the decrease in current quality as the fundamental frequency increases, necessitating the use of high switching frequencies, which SiC technology makes possible to solve this problem. Load characterization and experimental results highlight the deterioration in performance of high-speed machines. This is mainly due to the increase in iron and mechanical losses that are unavoidable in permanent magnet machines operating at high frequencies.

Devant un jury composé de :

M.       DAKYO Brayima, Professeur, Université du Havre, Rapporteur

M.       DJERDIR Abdesslem, Professeur, UTBM, Rapporteur

Mme   BAZHAR Sara, Ingénieur R&D, NIDEC PSA Emotors SAS, Examinateur

Mme   LIN-SHI Xuefang, Professeur, INSA Lyon, Examinateur

M.       JAMSHIDPOUR Ehsan, Maître de Conférences, GREEN, Examinateur

M.       TAKORABET Noureddine, Professeur, GREEN, Directeur de thèse

M.       LUBIN Thierry, Maître de Conférences, GREEN, Co-directeur de thèse