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Contribution to the modelisation and failure prognosis in a synchrone permanent magnet motor
No full textL’objectif de ce travail est d’élaborer un modèle performant/précis de la machine électrique permettant de proposer une technique de pronostic. Dans cette thèse, nous commençons par un état de l’art sur les véhicules électriques hybrides (VHE), les différents types de machines électriques utilisées dans les VHE ainsi que les différents types de défauts pouvant survenir dans ces machines électriques. Nous identifions également les indicateurs de défauts appropriés aux différents défauts considérés. Ensuite, une synthèse de techniques de pronostic pouvant être appliquées est proposée. Le modèle à éléments finis électromagnétiques, thermiques et vibratoires (FEM) de la machine à aimants permanents est présenté. Le modèle est élaboré en fonctionnement normal et défaillant. Les types de défauts considérés sont : démagnétisation, court-circuit et excentricité. Une comparaison entre les deux approches analytique et FEM (méthode numérique) pour la modélisation de machines électromagnétiques est effectuée. Les indicateurs de défauts analysés pour l’extraction les plus pertinents utilisent les différents signaux mesurées suivants : le couple, la température ainsi que les signaux vibratoires en états sains et défectueux. L’approche de pronostic adoptée qui est le modèle de Markov caché (HMM) est développée. L'aspect technique de la méthode est présenté et le module du pronostic est formulé. La méthode de HMM est utilisée pour détecter et localiser les défauts à petites amplitudes. Une stratégie systématique a été développée. Le vieillissement de l’équipement de la machine, en particulier des éléments sensibles comme la bobine de stator et l’aimant permanent, est une question très importante pour le calcul du RUL (Remaining Useful Life). Une stratégie d’estimation pour le calcul RUL est présentée et discutée. La configuration en boucle fermée est très importante. Elle est adoptée par tous les systèmes de véhicules disponibles. Par conséquent, les mêmes étapes mentionnées précédemment s'appliquent également à une configuration en boucle fermée. Un modèle global où l’entrée du FEM de la machine provient de l’onduleur modélisé est élaboré.The core of the work is to build an accurate model of the electrical machine where the prognostic technique is applied. In this thesis we started by a literature review on hybrid electric vehicles (HEV), the different types of electrical machine used in HEV’s and the different types of faults that may occur in those electrical machine. We also identify the useful monitoring parameters that are beneficial for those different types of faults. Then, a survey is presented where all the prognostic techniques that can be applied on this application are enumerated. The electromagnetic, thermal and vibration finite element model (FEM) of the permanent magnet machine is presented. The model is built at healthy operation and when a fault is integrated. The considered types of faults are:demagnetization, turn to turn short circuit and eccentricity. A confrontation between analytical and FEM (numerical method) for electromagnetic machine modeling is illustrated. Fault indicators where useful measured parameters forfault identification are recognized and useful features from the measured parameters are extracted; torque, temperature and vibration signal are elaborated for healthy and faulty states. The strategy of the adopted prognostic approach which is Hidden Markov Model (HMM) is explained. The technical aspect of the method is presented and the prognostic model is formulated. HMM is applied to detect and localize small scale fault small scale faults were where a systematic strategy is developed. The aging of the machine’s equipment,specially the sensitive ones that are the stator coil’s and the permanent magnet, is a very important matter for RUL calculation. An estimation strategy for RUL calculation is presented and discussed for those mentioned machine’s components. Closed loop configuration is very important; it is adopted by all available vehicle systems. Hence, the same previously mentioned steps are applied for a closed loop configuration too. A global model where the input of the machine’s FEM comes from the modeled inverter is built
Modeling, control and optimization of energy flows : implementation on the charging of electric vehicles
No full textVu que le secteur du transport est directement impliqué dans les émissions gigantesques de gaz à effet de serre et la pollution mondiale globale, l'électrification des véhicules a récemment surgi comme étant une solution efficace aux catastrophes environnementales contemporaines. Face à l'impossibilité de stockage d'électricité en grandes quantités, et en vue d'ajuster en permanence l'offre d'électricité à la demande, il faudrait développer des solutions d'adaptation où les batteries des véhicules électriques (VE) prendraient en charge le stockage et la restitution de l'énergie. Cette étude se focalise sur les systèmes énergétiques impliquant des véhicules électriques utilisés comme moyens de stockage et de restitution d'énergie et sur l'optimisation des flux énergétiques relatifs à ces systèmes. L'étude porte sur les flux énergétiques réversibles entre les véhicules électriques, le réseau et les habitations. Une approche de modélisation et d'optimisation a été développée afin d'apporter une contribution permettant la gestion optimale et efficace des flux énergétiques entre les VE et les infrastructures. Pour ce fait, un système énergétique incluant une maison, un véhicule électrique et la grille est bien défini. La maison est alimentée à partir de sources d'énergie renouvelables et le véhicule sera utilisé comme moyen de stockage ou de restitution d'énergie en fonction de l'offre et de la demande d'électricité. Eventuellement, l'objectif serait d'éliminer l'approvisionnement du réseau de façon à maintenir l'équilibre entre l'offre et la demande d'électricité. Le contrôle des flux énergétiques du véhicule a été élaboré à travers la proposition d'un algorithme d'optimisation multi-objectifs et multi-critères dépendant de l'offre et la demande de l'électricité. Donc, le stockage d'énergie est proposé via une optimisation multi-objectifs des flux d'énergie pénétrant les véhicules électriques à partir du réseau, de la maison ou du bâtiment au cours du processus de recharge, et ceux sortant des véhicules durant la décharge. L'algorithme génétique est utilisé pour calculer les solutions optimales du problème d'optimisation relatif à la décharge. Les fonctions objectifs sont ensuite normalisées et la méthode de la somme pondérée est utilisée avec des poids aléatoires définis selon l'ordre de priorité du décideur dans différents scénarios afin d'aboutir à une solution optimale finale. Les calculs sont également vérifiés et l'optimisation validée grâce au solveur gamultiobj du logiciel Matlab. La marge de différence entre la production et la consommation d'énergie cède souvent la place à un énorme gaspillage. En effet, la production excessive d'énergie serait rejetée, tandis que la production déficiente se traduirait par des compensations coûteuses de l'énergie consommée; d'où la nécessité d'une régulation de l'énergie. Afin de contrôler les flux d'énergie, et visant à atteindre un système équilibré, un algorithme de contrôle et de régulation a été développé. Toutefois, comme l'algorithme permet d'intégrer un nombre infini de véhicules, une amélioration a été proposée de sorte que le nombre de véhicules retenus par la recharge ou la décharge soit minimisé. Ainsi, le transfert d'énergie serait pratique et la consommation de batteries serait réduite. Subséquemment, dans la version améliorée de l'algorithme, les véhicules disponibles subissent une classification selon leur état de charge et la longévité de leur batterie avant d'injecter ou de récupérer leur énergie, dans le but d'obtenir un système équilibré sans détériorer les batteries des véhicules. Par conséquent, les processus de stockage et de restitution d’énergie ont été optimisés grâce à la minimisation du nombre de véhicules chargés ou déchargés. Ainsi a été développée une stratégie de gestion énergétique permettant de contrôler les flux énergétiques établissant une loi de commande bidirectionnelle qui serait une solution d'adaptation de l'offre à la demande d'électricitéThe electric vehicles' usage keeps expanding worldwide for its beneficial environmental purposes. Eventually, vehicles' electrification seems to play a major role in the reduction of toxic greenhouse gases' emissions linked to the transportation sector. However, the chaotic difference margin between the electricity supply and demand still urges for a production/consumption balance that would reconcile both ends. Thus, the adaptation of energy flows to the supply and demand has become a necessity facing the gigantic energy waste related to the electricity storage challenges. Therefore, the batteries of electric vehicles (EV) could be an alternative solution for the storage and the retrieval of energy depending on the supply and demand of electricity. Our research work mostly proposes an energetic strategy based on a multi-objective and multi-criteria optimization algorithm related to the control of the bidirectional energy flows X2V/V2X between the electric vehicles and X (where X represents the grid, home or building depending on the available supply or demand of electric energy. First, the study proposes a control and regulation algorithm aiming to reach a balanced production/consumption system. The balance is mostly acquired through the bidirectional control of the energy flows related to a domestic residence (supplied with renewable sources), electric vehicles (adopted as means of storage and retrieval) and the grid. Then, the defined system's modeling is formulated and a multi-objective optimization of electric vehicles' charging and discharging modes defined by the regulation algorithm is assessed in order to attain an optimal fulfillment of the system's energetic needs. In order to do so, the energy production and consumption are first investigated through defining their reversible energy flows. Consequently, the vehicles' batteries are adopted as means of storage and retrieval depending on the energetic needs for a balanced system where any excess or lack of energy is avoided. The storage and retrieval's optimization is performed using the genetic algorithm method that helps to find optimal solutions for predefined objectives functions related mainly to the state of charge, the vehicle's propulsive energy, the valley energy and the losses. Consecutively, the study's objective functions are normalized and the weighted sum approach is implemented with the use of several case studies. And then, the optimal values resulting from the calculation are computed and verified by simulation using Matlab software. Finally, once the regulation algorithm has been set, and the corresponding optimizations implemented, the algorithm's simulation has been performed. Thus, a convenient control of the reversible energy flows, as well as the energy production and consumption has been confirme
Control of a hybrid system based PEMFC and photovoltaic panels
No full textNos sociétés sont de plus en plus préoccupées par l’impact très nocif des ressources énergétiques polluantes, essentiellement, le pétrole, le charbon et le gaz. Ainsi, l’intérêt dans l’utilisation des énergies renouvelables et propres est en constant augmentation et la conception de nouveaux systèmes énergétiques est devenue un challenge scientifique et technologique. Pour concevoir de nouvelles solutions énergétiques compétitives et efficaces, les fabricants de composants (panneaux solaires, pile à combustible, convertisseurs, etc.) et les secteurs industriels concernés sont confrontés à des problématiques d’optimisation, de contrôle et de durabilité. Par ailleurs, les sources d’énergie renouvelable sont dépendantes de plusieurs facteurs incontrôlables (lieu géographique, météorologie, etc.). Pour parer à ces facteurs, et donc au caractère aléatoire de disponibilité énergétique, l’hybridation des sources et la gestion énergétique peut s’avérer être une approche pertinente pour la conception de solutions énergétiques efficaces. Cette thèse est une contribution au problème de l’hybridation et de la gestion d’énergie. Plus précisément, nous considérons un système hybride composé de panneaux solaires photovoltaïques et d’une pile à combustible. Ce système est supposé être doté de convertisseurs et d’un système de stockage (batterie et super-condensateurs).Our societies are increasingly concerned about the very harmful impact of clean energy resources, mainly oil, coal and gas. Thus, interest in the use of renewable and clean energy is constantly increasing and the development of new energy systems has become a scientific and technological challenge. To develop new competitive and efficient energy solutions, manufacturers of components (solar panels, fuel cells, inverters, etc.) and industrial sectors are facing problems of optimization, control and durability. In addition, renewable energy sources depend on several uncontrollable factors (geographical location, weather, etc.). To address these factors, and thus the randomness of energy availability, sources hybridization and energy management can prove to be an appropriate approach for the design of efficient energy solutions. This thesis is a contribution to the problem of hybridization and energy management. More precisely, we consider a hybrid system composed of photovoltaic solar panels and a fuel cell. This system is supposed to be equipped with converters and storage system (battery and supercapacitors). The goal is to develop control strategies to extract the maximum power available from the considered sources and to optimize the overall energy system to meet the load requirements. To do this, our approach is based on the tracking of the maximum power point and the use of compensators
Contribution to the mechanical and thermal modeling of a synchronous reluctance motor for a vehicle application
No full textDans le cadre d’applications des véhicules électriques et hybrides, le développement des machines électriques à bas coût trouve tout son sens. La machine synchroréluctante à barrières de flux se révèle être une alternative viable pour des applications de traction, notamment automobile, en remplacement des machines à aimants permanents. Les contraintes mécaniques et thermiques jouent un rôle important dans la conception des machines synchroréluctantes. Le comportement mécanique affecte la puissance massique de la machine en limitant sa vitesse de rotation. Le comportement thermique affecte les performances de la machine en termes de couple massique en limitant la densité de courant admissible. Les travaux proposés dans cette thèse consistent à élaborer un modèle multi-physique de la machine synchroréluctante avec un regard particulier sur les aspects mécaniques et thermiques. Une partie importante des travaux comporte une validation expérimentale des modèles proposés. Cette validation utilise un prototype de la machine synchroréluctante et des moyens d’essais disponibles au laboratoire.In the context of electric and hybrid vehicle applications, the development of low-cost electric machines makes sense. The flux barrier synchronous reluctance motor is proving to be a viable alternative for traction applications, especially automotive, replacing permanent magnet machines. Mechanical and thermal constraints play an essential role in the design of synchronous reluctance motors. The mechanical behavior affects the power density of the machine by limiting its rotational speed. The thermal behavior affects the performance of the machine in terms of torque density by limiting the allowable current density. The work proposed in this thesis consists in developing a multi-physical model of the synchronous reluctance motor with a particular focus on mechanical and thermal aspects. An important part of the work includes an experimental validation of the proposed models. This validation uses a prototype of the synchronous reluctance motor and test facilities available in the laboratory
Alimentation par onduleurs de tension des machines multi-étoiles
No full textTexte intégral accessible uniquement aux membres de l'Université de LorraineIn the context of power division in inverters - machines sets, this thesis treats the case of supplying a multi-star windings by several voltage source inverters. The proposed power division presents the advantage of modularity and authorize degraded functioning. In first, we present double star windings synchronous and asynchronous machines models in order to be supplied by two voltage source inverters. Analytical study of the complete system shows that high amplitude current ripples can occur because of the magnetic coupling between star windings. Analytical study, simulation and experimental results show that these over currents can be eliminated if star windings are not shifted and if master-slave control is applied on both inverters. Further more, it is preferable to have a weak magnetic coup ling between star windings and high switches frequency. These conclusions are generalized to multi-star windings A. C. machines.Dans le cadre de la segmentation de puissance dans les ensembles convertisseurs - machines, ce mémoire est consacré à l'alimentation par plusieurs onduleurs de tension des machines alternatives multiétoiles. Ceci présente l'avantage de la modularité au niveau des onduleurs et permet le fonctionnement en régime dégradé. Tout d'abord, nous avons modélisé les machines synchrones et asynchrones double étoile en vue de les alimenter par deux onduleurs de tension. Ensuite, par une approche analytique, par simulation ainsi que par expérimentation, nous avons mis en évidence les problèmes liés au couplage magnétique qui peut être la cause d'apparition de surintensités dans les courants de phases. Pour éviter ces surintensités qui risquent d'endommager les composants des onduleurs, nous avons montré qu'il suffit que les étoiles statoriques soient non décalées et que les onduleurs soient .commandés en maître esclave. De plus, il est préférable d'avoir un faible couplage entre les étoiles statoriques et une fréquence de découpage la plus élevée possible. Les mêmes conclusions ont été généralisées aux machines alternatives multiétoiles
Alimentation par onduleurs de tension des machines multi-étoiles
No full textTexte intégral accessible uniquement aux membres de l'Université de LorraineIn the context of power division in inverters - machines sets, this thesis treats the case of supplying a multi-star windings by several voltage source inverters. The proposed power division presents the advantage of modularity and authorize degraded functioning. In first, we present double star windings synchronous and asynchronous machines models in order to be supplied by two voltage source inverters. Analytical study of the complete system shows that high amplitude current ripples can occur because of the magnetic coupling between star windings. Analytical study, simulation and experimental results show that these over currents can be eliminated if star windings are not shifted and if master-slave control is applied on both inverters. Further more, it is preferable to have a weak magnetic coup ling between star windings and high switches frequency. These conclusions are generalized to multi-star windings A. C. machines.Dans le cadre de la segmentation de puissance dans les ensembles convertisseurs - machines, ce mémoire est consacré à l'alimentation par plusieurs onduleurs de tension des machines alternatives multiétoiles. Ceci présente l'avantage de la modularité au niveau des onduleurs et permet le fonctionnement en régime dégradé. Tout d'abord, nous avons modélisé les machines synchrones et asynchrones double étoile en vue de les alimenter par deux onduleurs de tension. Ensuite, par une approche analytique, par simulation ainsi que par expérimentation, nous avons mis en évidence les problèmes liés au couplage magnétique qui peut être la cause d'apparition de surintensités dans les courants de phases. Pour éviter ces surintensités qui risquent d'endommager les composants des onduleurs, nous avons montré qu'il suffit que les étoiles statoriques soient non décalées et que les onduleurs soient .commandés en maître esclave. De plus, il est préférable d'avoir un faible couplage entre les étoiles statoriques et une fréquence de découpage la plus élevée possible. Les mêmes conclusions ont été généralisées aux machines alternatives multiétoiles
Optimization methods and energy management in "smart grids"
No full textLes réseaux électriques actuels connaîtront un profond changement dans les années à venir. La nouvelle génération est le Smart Grid (SG) ou le réseau électrique intelligent qui se caractérise par une couche d'information et de communication qui permet aux différents composants du réseau de communiquer. Il doit considérer tous les aspects du réseau électrique, le rendant plus intelligent et flexible. Cette notion est présentée comme une réponse à l'évolution du marché de l'électricité, visant à gérer l’augmentation de la demande tout en assurant une meilleure qualité de service et plus de sécurité.Premièrement, nous présentons une formulation de programmation linéaire mixte en entier pour optimiser les systèmes de production et de consommation d'énergie dans une maison intelligente avec un déploiement efficace de plusieurs ressources énergétiques distribuées. Ensuite, à travers la conception d'expériences avec la méthode de Taguchi, divers scénarios sont introduits en faisant varier des facteurs significatifs. Par la suite, une technique heuristique est proposée pour résoudre le problème de la gestion de l'énergie résidentielle en trouvant la solution optimale globale pendant plusieurs jours consécutifs avec une réduction significative du temps d'exécution.Deuxièmement, un modèle de gestion de l'énergie est assuré grâce à des modèles mathématiques pour optimiser l’utilisation du réseau, des ressources énergétiques renouvelables, des véhicules électriques et de la batterie, ainsi que pour différents types d'appareils thermiques et électriques. Une méthode de solution exacte est mise en œuvre pour réduire le coût de l'électricité dans une maison intelligente et pour trouver des modes de fonctionnement de différentes charges. Ensuite, un algorithme d'optimisation math-heuristique est proposé pour résoudre le problème avec un temps de simulation étendu.Enfin, nous étudions le problème de gestion de l'énergie dans un microréseau constitué de plusieurs maisons intelligentes. Chacune d'elles dépose de ressources énergétiques renouvelables, d’un véhicule électrique et d’appareils intelligents. Les ressources d'énergie renouvelable injectent l’excès de l'énergie dans un système de stockage d'énergie partagé. Un modèle mathématique linéaire mixte en entier pour la gestion d'énergie est proposé pour réduire le coût total de fonctionnement du microréseau. Des comparaisons avec des scénarios conventionnels où chaque maison intelligente possède son propre système de stockage d'énergie sont effectuées pour démontrer l’efficacité de la démarche proposée.The current electricity grids will experience a profound change in the coming years. The new generation is the Smart Grid (SG) which is characterized by information and communication layer enabling the communication between the different components of the grid. It needs to consider all sides of power grid, making it more intelligent and flexible. This notion is presented as an answer to changes in the electricity market, aiming to manage the increased demand while ensuring a better quality of service and more safety.First, we present a mixed integer linear programming formulation to optimize the energy production and consumption systems in a smart home with an effective deployment of several distributed energy resources. Then through the design of experiments with the Taguchi method, diverse scenarios are introduced by varying significant factors. Afterward, a heuristic technique is proposed to solve the problem of residential energy management by finding the global optimum solution for many consecutive days with significant reduction of execution time.Second, an energy management model is proposed thanks to mathematical models to optimize the grid, renewable energy resources, battery and electric vehicles are presented as well as for different type of thermal and electrical appliances. An exact solution method is implemented to reduce the electricity cost in a smart home and find out operation modes of different loads. Then a math-heuristic optimization algorithm is proposed to solve the problem with extended simulation time horizon.Finally, we study a microgrid energy management problem which comprises multiple smart homes. Each of them owns renewable energy resources, one electric vehicle and smart appliances. The renewable energy resources inject the excess energy in the shared energy storage system. An optimized energy management model using mixed integer linear programming is proposed to reduce the total electricity cost in the microgrid. Comparisons with conventional scenarios where each smart home has its individual small energy storage system without sharing energy with their neighbors are done to ensure that the proposed formulation is well efficient
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Get PDFThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
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