Decentralized approach of open-winding machine and its control
Approche décentralisée de la machine synchrone à bobinage ouvert et de sa commande
Résumé
Recent decades have seen the electrification of many applications, particularly in the transport field. These new electric mobility applications require high reliability of electric powertrains (PTs): they do not tolerate the total PT failure, particularly in the aeronautical field. Resilience and power density are the predominant criteria for these applications. The work presented proposes an analysis method of permanent magnet synchronous machines (PMSMs) availability. It appears that open-winded machines are highly fault-tolerant. In addition, this resilience increases with windings and phases number. It can be extended to the PT level as a whole by adopting a decentralized winding-by-winding structure for electronics and control. This PT structure raises new issues, particularly in terms of control which must ensure the control of a sinusoidal current reference in each winding without having the information coming from the other windings. A decentralized control, based on the property of differential flatness, has been proposed. Its effectiveness was verified first in simulation, then by experimental tests carried out on a three-phase open-winding PMSM with twelve physical windings. The results obtained confirm the fault-tolerance to open circuit faults of the proposed PT structure. This research work was carried out in synergy with other work on low-voltage multiphase machines and on the power electronics integration. Co-development between these three research fields has allowed the design of a high power density, eleven-phase, fault-tolerant PT. This new decentralized approach to the powertrain opens up many new research perspectives, whether in the field of electrical machines, electronics or control.
Ces dernières décennies ont vu l’électrification de nombreuses applications, notamment dans le domaine du transport. Ces nouvelles applications de mobilité électrique demandent une grande fiabilité des groupes motopropulseurs (GMPs) électriques : elles ne tolèrent pas, en effet, la défaillance totale du GMP, en particulier dans le domaine aéronautique. La résilience et la densité de puissance sont les critères prépondérants de ces applications. Le travail présenté dans cette thèse propose une méthode d’analyse de la disponibilité des machines synchrones à aimants permanents (MSAPs). Il apparait que les machines à bobinage ouvert sont fortement résilientes aux défauts. De plus, cette résilience augmente avec le nombre d’enroulements et le nombre de phases. Elle peut être étendue au niveau du GMP dans son ensemble en adoptant une structure décentralisée enroulement par enroulement pour l’électronique et la commande. Cette structure de GMP soulève de nouvelles problématiques, notamment en termes de commande qui doit assurer le suivi d’une référence de courant sinusoïdale dans chaque enroulement sans disposer de l'information provenant des autres enroulements. Une commande décentralisée, basée sur la propriété de la platitude différentielle, a été proposée. Son efficacité a été vérifiée d’abord en simulation, puis par des essais expérimentaux réalisés sur une MSAP triphasée à bobinage ouvert à douze enroulements physiques. Les résultats obtenus permettent de confirmer la résilience aux défauts de circuit ouvert de la structure de GMP proposée. Ce travail de recherche a été mené en synergie avec d’autres travaux sur les machines multiphases basse tension et sur l’intégration de l’électronique de puissance. Un co-développement entre ces trois domaines de recherche a permis la conception d’un GMP hendécaphasé à forte densité de puissance, résilient aux défauts. Cette nouvelle approche décentralisée de conception du groupe motopropulseur ouvre de nombreuses perspectives de recherche, que ce soit dans le domaine des machines électriques, de l’électronique ou de la commande.
Origine : Version validée par le jury (STAR)