Laboratoire de Machines Electriques (LME) - EPFL

Laboratoire de Machines Electriques – LME
PROJETS DE SEMESTRE DE PRINTEMPS 2007 ET
DE MASTER AUTOMNE 2007 – 2008
Les projets décrits dans cette liste sont proposés aux étudiants de la Section Génie
Electrique et Electronique. Ils sont formulés de manière volontairement souple et
sont donc susceptibles d’être précisés lors d’une discussion ultérieure.
Les étudiants intéressés sont priés de s’adresser au Prof. J.-J. Simond (tél : 34804,
bureau ELG 138) ou à l’un de ses collaborateurs.
Prof. J.-J. Simond & collaborateurs, novembre 2007

EPF-LAUSANNE / Faculté STI
Laboratoire de Machines Electriques (LME)
Modélisation et optimisation de l’enroulement amortisseur d’une machine
synchrone triphasée à pôles saillants feuilletés.
Objectif:
Les grandeurs transitoires d’une machine synchrone triphasée à pôles saillants feuilletés
dépendent des caractéristiques de l’enroulement amortisseur. Ces grandeurs sont souvent
déterminées sur la base d’une hypothèse liée à la répartition des courants amortisseurs axiaux.
L’objectif de ce projet est de calculer ces grandeurs transitoires sans le recours à ce type
d’hypothèse et en se basant sur les données constructives de la machine.
Description:
Il est demandé au candidat :
- l’application d’une démarche développée pour une machine monophasée, à une machine
synchrone triphasée afin d’obtenir les grandeurs transitoires, les répartitions des courants
dans le circuit amortisseur ainsi que les caractéristiques de démarrage en asynchrone.
- l’étude de l’influence de la variation de certains paramètres (nombre de barres amortisseurs
par pôle, …) sur le comportement transitoire de la machine.
- la comparaison entre les résultats du calcul et de la mesure pour certaines machines dont les
dossiers seront fournis.
- la comparaison des résultats obtenus par cette démarche et ceux fournis par un programme
de calculs de champs par éléments finis FLUX2D.
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Etude de différents régimes stationnaires et transitoires d’une machine
asynchrone à cage avec FLUX2D
Objectif:
L’utilisation d’un programme à éléments finis de type FLUX2D permet l’affinement des
modèles d’une machine électrique ainsi que la prédétermination plus précise du
comportement en régime stationnaire ou transitoire de celle-ci.
Description:
Après une première étape de familiarisation avec l’outil de calcul de champs par éléments
finis FLUX2D, il est demandé au candidat :
- de procéder à l’établissement d’une procédure d’introduction automatique de données
d’une machine asynchrone à cage dont les caractéristiques géométriques et
magnétiques sont définies.
- d’appliquer le logiciel à différents calculs en régime stationnaire d’une machine
asynchrone à cage.
- d’étudier différents régimes transitoires (démarrage, fonctionnement en régime
évolutif à des vitesses données, etc…).
Exemple de connexion des conducteurs électriques aux régions
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Conception et optimisation d'un enroulement triphasé à trou fractionnaire
par l'analyse systématique de la teneur en harmoniques de la FMM
Objectif:
Dans les machines synchrones à pôles saillants avec un nombre de pôles élevé, le nombre
d’encoches par pôle et par phase est souvent très réduit. Pour éviter les harmoniques de
pulsation d’encoches, on doit dans ce cas choisir un nombre d’encoches fractionnaire par pôle
et par phase. Ces enroulements, appelés enroulements à trou fractionnaire, peuvent générer
des ondes de force magnétomotrice (FMM) avec on nombre de pôles inférieur à celui du
fondamental (sous-harmoniques) qui peuvent être à l’origine de vibration du circuit
magnétique statorique.
L’analyse systématique de la teneur en harmonique de la FMM permet d’optimiser le
bobinage dans le sens d’une réduction de certains sous –harmoniques.
Description:
Ce projet consiste à développer un algorithme d’optimisation du placement des conducteurs
d’un bobinage triphasé à trou fractionnaire en minimisant le taux d’harmoniques de la FMM.
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COUPLAGE SIMSEN / REGULATEURS DE TENSION ET DE VITESSE
Objectifs :
Le logiciel SIMSEN permet la simulation d’un site de production hydroélectrique (bassin
d’accumulation, cheminée d’amenée, chambre d’équilibre, conduite forcée, turbine, masses
mécaniques, machine synchrone, transformateur, etc.) présentant une topologie à priori
quelconque. Pour une telle application on se sert de modules qui renferment les modèles des
régulateurs de tension et de vitesse.
L’idée est d’effectuer de telles simulations en se servant non plus des modules régulateurs
offerts par SIMSEN, mais en se servant des régulateurs eux-mêmes (Hardware-In-The-Loop,
HIL). Il s’agit donc de faire communiquer les régulateurs avec SIMSEN en les reliant à celuici.
Cette démarche permettra une détermination rapide et précise des paramètres des régulateurs,
un gain de temps appréciable en résultera lors des mises en service.
Description :
Un premier cas simple avec régulateur de vitesse étant déjà étudié, il s’agira de développer un
deuxième prototype avec régulateur de tension. Ensuite une stratégie d’intégration de la
partie HIL dans SIMSEN devra être développée et implémentée.
L’étude de différents scénarios (démarrage, arrêt d’urgence, etc.) permettra de comprendre le
fonctionnement d’un site de production hydroélectrique dans différents régimes
d’exploitation.
Des tests sont également prévus en laboratoire à l’aide d’un nouveau type de régulateur de
tension acquis par le LME
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Détermination des paramètres transitoires d'une machine synchrone par
des essais à faibles vitesses de rotation
Objectif:
La connaissance des grandeurs caractéristiques d’une machine synchrone est indispensable
pour l’étude du comportement transitoire de la machine, seule ou connectée à un réseau de
puissance. Parmi les projets en développement au Laboratoire de Machines Electriques, la
plate forme numérique d’essai présente une part d’activité important. Il consiste à remplacer
les essais conventionnels, lourds et coûteux, par des logiciels de simulation et d’identification
numérique
Description:
Après une période de familiarisation avec le logiciel de simulation de champs FLUX2D,
réaliser la simulation de champs d’une machine synchrone à pôles saillants en régime
magnétodynamique. Concevoir une méthode pour identifier les grandeurs caractéristiques de
la machine à partir des courants de phase.
Représentation schématique d’une plate forme numérique
Physical
properties
B
Geometry
Preprocessing
H
Command
files
Calculation
Results file
i a
x σ sx σ Df1x σ Df2x σ D1x σ D2 x adx σ frfifidr su du frD1rD2
Postprocessing
Parameters
identification
log
t
t
Equivalent
diagram
Coupled
circuits
2D Finite Elements
Method (FEM)
Comparison
SIMSEN
calculation
i a
t
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Etude du comportement dynamique d’une centrale électrique avec prise en
compte des stabilisateurs de puissance (PSS)
Objectif: Les stabilisateurs de puissance (PSS) peuvent jouer un rôle important dans
l’amortissement des oscillations d’une centrale électrique lors de régimes de fonctionnement
transitoires sur le réseau.
Description:
Il est demandé au candidat :
a) d’étudier dans un premier temps, pour une ou plusieurs configurations du réseau
l’influence des paramètres de différents types de PSS sur le comportement d’une centrale
électrique par des simulations effectuées avec le logiciel SIMSEN.
b) de comparer les résultats obtenus avec ceux d’une méthode analytique basée sur la
détermination des valeurs propres du système.
c) de proposer éventuellement une méthode d’optimisation des paramètres des stabilisateurs
de puissance afin de garantir un amortissement adéquat des oscillations dans différents cas.
Exemple d’une configuration à étudier
Structure d’un PSS à deux entrées
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Influence combinée des FACTS et des PSS dans les réseaux électriques
Objectif: L’exploitation des réseaux de transport d’énergie électrique peut être
considérablement améliorée en termes de performances et de souplesse par l’adjonction
d’éléments de type FACTS (Flexible Alternative Current Transmission Systems). Ces
éléments permettent d’améliorer la stabilité du système, de contrôler les transits de puissance
et de gérer les échanges de puissance réactive. Les PSS (Power System Stabilizer) jouent
quant à eux un rôle important dans l’amortissement des oscillations d’une centrale électrique
lors de régimes de fonctionnement transitoires sur le réseau.
Il s’agit dans le cadre de ce projet d’étudier l’influence combinée des éléments FACTS (en
particulier l’UPFC) et PSS lors de régimes de fonctionnement transitoires sur le réseau.
Description:
Il est demandé au candidat :
a) de se familiariser, par des simulations en régime de fonctionnement stationnaire par le
logiciel SIMSEN, avec l’UPFC (Unified Power Flow Controller) qui est un type particulier
de FACTS permettant à la fois de maintenir la tension à un nœud et de gérer les transits de
puissances active et réactive à travers une ligne.
b) d’étudier sur un modèle IEEE Benchmark le comportement de l’UPFC en considérant
différents régimes transitoires (par exemple élimination d’un défaut triphasé sur une ligne).
c) d’étudier sur un modèle IEEE Benchmark l’influence combinée de l’UPFC et d’un PSS.
Structure de l’UPFC
Structure d’un PSS à deux entrées
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Efforts magnétiques non compensés dans un alternateur à rotor décentré
Objectifs :
Mesure et analyse des efforts d’un générateur à rotor décentré.
Travail de laboratoire :
Mise en œuvre d’une mesure par jauges de contraintes. Prise en compte des efforts
mécaniques en vue de l'obtention des seuls efforts magnétiques.
Comparaison avec la mesure effectuée à l'aide du dispositif de mesure UMP du LME
(http://lme.epfl.ch/ump).
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Identification des paramètres d'un alternateur synchrone par l'essai de
décroissance du courant
Objectifs :
Détermination des paramètres transitoires d'un alternateur synchrone par l'analyse de la
décroissance du courant dans l'enroulement statorique.
Travail de laboratoire :
Réalisation de l'essai sur une machine de laboratoire (courant maximum de 500 A).
Mise en œuvre d'un dispositif permettant d'atteindre 2'000 A.
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Simulation d'un système de production d'énergie éolienne avec un
générateur synchrone à aimants permanents (Windformer)
Objectif:
La production d'énergie électrique a tendance à se délocaliser. De nouvelles sources d'énergie
renouvelable, les éoliennes par exemple, font intervenir de nouvelles exigences en ce qui
concerne les alternateurs. Il s'agit notamment de fournir un dispositif de conversion de
l'énergie éolienne à vitesse variable. L'objectif de ce projet est d'étudier un dispositif mettant
en oeuvre une génératrice synchrone à aimants permanents couplée au réseau au travers d'un
convertisseur de fréquence multi niveaux.
Description:
L'étudiant peut soit:
- étudier et modéliser les différents composants d'une installation éolienne (hélice,
génératrice synchrone à aimants permanents,...)
- développer une stratégie de contrôle-commande, et si possible sans capteur de vitesse
ou de position (sensorless), permettant la production d'énergie électrique à vitesse
variable au moyen de la génératrice à aimants permanents. donc d'une machine
électrique à flux rotorique constant. Une réalisation pratique peut être envisagée, et
des connaissances en langage C sont un léger plus.
Système de production d'énergie électrique à vitesse variable avec génératrice à aimants
permanents
Eolienne
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Simulateur d’un réseau de transport urbain
Objectifs :
Flexibilisation d’un réseau de transport urbain en vue de son utilisation pour des topologies
de réseau quelconques.
Outil CAO : Simulink (Matlab)
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Développement d’un outil basé sur le logiciel SIMSEN simulant le système
d’alimentation d’un réseau de trolleybus.
Objectif:
Les réseaux de transport par trolleybus nécessitent un important système d'alimentation
électrique calqué sur la topologie des parcours. Depuis quelques années, le LME développe
un logiciel (TLSim) permettant de simuler un tel système comprenant d'une part une charge
variable composée de l'ensemble des trolleybus en circulation, d'autre part un réseau
d'alimentation composé de sous-stations électriques et de lignes de contact. Un tel logiciel
permet de déterminer la charge électrique variable au cours de la journée et le plan de tension
(niveau de tension à chaque instant en tout point du système). Le LME a également
développé un autre logiciel de simulation générale dans le domaine des réseaux et des
entraînements électriques : SIMSEN. Le but de ce projet est de réaliser dans SIMSEN les
fonctionnalités de TLSim, cette réalisation permettra une plus grande souplesse pour les
extensions futures.
Description:
L'étudiant devra comprendre le fonctionnement des 2 logiciels. Il réalisera les modules
nécessaires dans le logiciel SIMSEN et effectuera des simulation pour valider sont
implémentation.
Extension: Possibilité de poursuivre avec un travail de master, portant sur l'extension à des
réseaux plus complexes pouvant comporter des systèmes de stockage inertiels ou des
capacités embarquées.
Réseau d'alimentation des
transports lausannois
Niveau de tension à l'arrêt Val-
Vert
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Extension d'un module analyseur syntaxique
Objectif:
Le laboratoire LME a développé un logiciel de simulation modulaire. Un des modules permet
d'exécuter des expressions mathématiques. Nous désirons augmenter les fonctionnalités de ce
module en incluant des possibilités de structures (tableaux, records), de boucles et de sous
programmes.
Description:
L'étudiant devra dans une première étape comprendre ce qu'est un analyseur syntaxique, il
réalisera ensuite un programme comprenant les fonctionnalités demandées et en dernier lieu
effecuera l'implémentation dans Simsen.
Le language de programmation est Delphi.
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Etude et essais pratiques de démarrage de machine asynchrone à rotor
bobiné alimentée par un onduleur 2 niveaux (2-level VSI).
Projet de semestre 6 ème ou 8 ème semestres
Objectif: L'utilisation de centrale de pompage turbinage relève d'une grande importance, car
elle est l'une des rares possibilités de stockage d'énergie "électrique". L'utilisation de moteur
asynchrone à rotor bobiné permet la variation de vitesse d'où un meilleur rendement. Ce
projet rentre dans le cadre d'une thèse portant sur l'utilisation de nouveau système
d'électronique pour l'alimentation de ces machines.
Dans la complexité de ce système, c'est la phase de
démarrage qui sera étudiée. Il sera dans un premier
temps demandé à l'étudiant d'étudier et de comprendre
différents modes de démarrage.
Description: L'étude commencera par des simulation
de démarrage (SIMSEN) puis l'on passera rapidement
aux essais et à la réalisation pratique. Sur la base de
l'utilisation d'une carte à base de processeur SHARC
et d'un onduleur SEMIKRON 2 niveaux, il sera
demandé à l'étudiant de programmer le DSP
(programmation C virgule flottante) et de tester les
différents modes de démarrage sur une machine du
labo, de 2,2 KW. Une comparaison théorie-pratique
sera effectuée. Ainsi que le séquencement
automatique de la procédure de démarrage.
Extension: Possibilité de poursuivre avec un travail
de master, portant sur un autre aspect du même
système.
Machine asynchrone à rotor bobiné
Onduleur 2 niveaux carte David (DSP)
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TECHNIQUES DE DEMARRAGE D’UN GROUPE SYNCHRONE EN
REGIME MOTEUR
Objectifs :
Analyser les diverses techniques applicables, leurs limites et les contraintes qu’elles
impliquent, puis les appliquer à un cas concret à l’aide du logiciel SIMSEM.
Un accent particulier pourra être mis sur les variantes :
- démarrage en asynchrone partiel
- démarrage en asynchrone direct d’une machine à pôles massifs simulé en FLUX 2D
magnéto-évolutif
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Interface de création et visualisation de géométrie pour un logiciel de
simulation par éléments finis.
Objectif :
Dans le cadre d’un travail de doctorat, un logiciel permettant la simulation de machines
électriques par la méthode des éléments finis est en cours de développement. Pour le moment
l’introduction de la géométrie se fait en éditant ‘à la main’ les fichiers de données. Cette
méthode est utilisable pour les géométries simples, par exemple celle d’un transformateur.
Pour des géométries plus complexes, machines synchrones à pôles saillants par exemple, elle
est inapplicable.
Description :
Une bibliothèque de sous- programmes permettant la lecture et la sauvegarde d’une
géométrie, ainsi que l’ajout et la suppression de données de base (points, lignes, régions,…) a
été écrite.
On demande d’écrire un logiciel basé dans la mesure du possible sur cette bibliothèque et
permettant :
- L’édition aisée des données composant une géométrie
- La visualisation de ces données
Suivant l’état d’avancement du projet et l’intérêt de l’étudiant, il est possible d’envisager
certaines extensions :
- L’importation directe d’une géométrie créée par Flux2D
- L’appel automatique du logiciel de création de maillage.
Exemple de maillage
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Exploitation automatique de résultats Flux2D
Objectif
The goal of the project is to create a set of macros enabling to automatically retrieve
the desired data from a finite element method simulation. The proposed tool for caring out
this task is Flux2D, program based on finite elements method and used to design, analyse and
optimise processes and devices such as electrical machines, transformers, high voltage
systems. The new versions are providing large automation capabilities to the simulation
process and with the command language derived from Java and Python; it allows the user to
define its own macros and interfaces to simplify its work, from the geometry to results.
Description
The main task in this project will be focused on the exploitation of the simulation
results and their extraction in an automatic way, being necessary especially when
multiparametric simulations are performed but helpful also when non-parameterised
problems are solved.
The candidate will create the geometry of a machine, will run relevant simulations and
write the macros required for automatic exploitation/extraction of the results. Thus, the
candidate will understand the principles of a finite element method simulation, will learn
about a given machine – its geometry, functioning principles, working regimes, all
implemented in 2D-FEM.
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