Laboratoire de Machines Electriques LME PROJETS DE MASTER HIVER 2005 2006 ET DE SEMESTRE D ETE 2006 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, mai 2005
Modélisation et optimisation de l enroulement amortisseur d une machine synchrone triphasée à pôles saillants feuilletés. 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. 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. 2
Etude de différents régimes stationnaires et transitoires d une machine asynchrone à cage avec FLUX2D 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. 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 3
Prise en compte de la saturation dans la modélisation des transformateurs Les transformateurs utilisés dans les applications modernes telles que les entraînements électriques à vitesse variable ou les équipements d électronique de puissance dans les réseaux électriques (FACTS) requièrent de nouvelles exigences et spécifications par rapport aux transformateurs utilisés dans les réseaux classiques. Pour l étude et l analyse de systèmes complexes, il est indispensable de disposer de modèles pour ces nouveaux types de transformateurs : transformateurs à plusieurs enroulements pour l alimentation des redresseurs à indice de pulsation élevé, transformateurs pour le contrôle série des flux de puissance dans les lignes électriques. Deux approches sont envisagées. La première fera usage des logiciels FLUX 2 & 3D, la seconde utilisera la notion d inductance différentielle au travers d une formulation mixte algébro-différentielle. 4
Conception et optimisation d'un enroulement triphasé à trou fractionnaire par l'analyse systématique de la teneur en harmoniques de la FMM 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. 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. 5
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. 6
Détermination des paramètres transitoires d'une machine synchrone par des essais à faibles vitesses de rotation 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 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 7
Etude du comportement dynamique d une centrale électrique avec prise en compte des stabilisateurs de puissance (PSS) 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. Il est demandé au candidat : a) d étudier dans un premier temps, pour une ou plusieurs configurations du réseau l influence des paramètres du 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 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 8
Etude et simulation de FACTS 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. Il s agit dans le cadre de ce projet d étudier le comportement de ces éléments FACTS lors de régimes de fonctionnement transitoires sur le réseau. Il est demandé au candidat : a) de se familiariser dans une première étape avec un ou différents types de FACTS (TCSC, STATCOM, UPFC ), par des simulations en régime de fonctionnement stationnaire par le logiciel SIMSEN. b) d étudier sur un modèle IEEE Benchmark le comportement d un ou plusieurs types de FACTS, en considérant différents régimes de fonctionnement transitoires (par exemple élimination d un défaut triphasé sur une ligne) Schéma de principe du Benchmark modèle 9
Détermination des éléments des schémas équivalents d'une machine synchrone à partir des données géométriques La connaissance des éléments des schémas équivalents d une machine synchrone est indispensable pour l étude du comportement transitoire de la machine. Le Laboratoire de Machines Electriques (LME) a réalisé un programme de calcul en langage FORTRAN permettant de déterminer les schémas équivalents à partir des données constructives de la machine. Dans le but de faciliter l utilisation de ce programme, le LME souhaite de le convertir en langage DELPHI. Ce projet offre l'opportunité de se familiariser avec l'établissement pratique des schémas équivalents en complément aux connaissances théoriques acquises au cours. Conception d un logiciel en DELPHI équivalent à celui déjà établi en FORTRAN qui facilite l introduction des données et l exploitation des résultats. 10
Vibrations dans un alternateur à rotor décentré Projet de semestre 6 ème ou 8 ème semestres Objectifs : Mesure et analyse des vibrations d un générateur à rotor décentré. Corrélation entre les ondes parasites d induction et les vibrations. Travail de laboratoire : Mise en œuvre d une mesure par interférométrie laser, comparaison avec un dispositif à accéléromètre. 11
Simulateur d un réseau de transport urbain Projet de semestre 6 ème ou 8 ème semestres Objectifs : Flexibilisation d un réseau de transport urbain en vue de son utilisation pour des topologies de réseau quelconques. Outil CAO : Simulink (Matlab) 12
Développement d un outil basé sur le logiciel SIMSEN simulant le système d alimentation d un réseau de trolleybus. Projet de semestre 6 ème ou 8 ème semestres 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. 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 13
Extension d'un module analyseur syntaxique Projet de semestre 6 ème ou 8 ème semestres 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. 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. 14
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 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. 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) 15