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Modélisation, contrôle de vitesse et optimisation d'un générateur diesel avec stator rotatif = Modeling, speed control, and optimization of a diesel generator set with rotating stator

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Mobarra, Mohammadjavad (2020). Modélisation, contrôle de vitesse et optimisation d'un générateur diesel avec stator rotatif = Modeling, speed control, and optimization of a diesel generator set with rotating stator. Thèse. Rimouski, Université du Québec à Rimouski, Département de mathématiques, informatique et génie, 232 p.

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Résumé

RÉSUMÉ: Les groupes électrogènes à moteur diesel constituent un élément important dans un large éventail d'applications de production d'énergie électrique distribuée dans le monde entier. En raison de leur haute fiabilité et de leur faible coût, les groupes électrogènes à moteur diesel restent le choix préféré lorsque l'infrastructure électrique est faible ou nécessite une sauvegarde des applications de sécurité, telles que les hôpitaux, aux applications provisoires d'établissement de réseau et d'extension. Les groupes électrogènes à moteur diesel sont soumis à des exigences croissantes en termes d'efficacité et de performances, mais en même temps, ils doivent être faciles à mettre en service et résistants aux perturbations. De plus, les génératrices diesel (GD) sont configurés pour fonctionner comme source d'énergie de secours lors des pannes de courant ou pour supporter la charge dans les zones éloignées, non connectées au réseau national. La plupart du temps, ces DG fonctionnent à vitesse constante pour produire un courant alternatif fiable, tandis que la demande d'énergie électrique fluctue en fonction des besoins instantanés. Dans les régions éloignées, les charges électriques élevées ne se produisent que pendant quelques heures par jour, ce qui entraîne un surdimensionnement des DG. Lors d'une opération à faible charge, les DG sont confrontés à une faible efficacité énergétique et à la condensation des résidus de carburant sur les parois des cylindres du moteur, ce qui augmente la friction et l'usure prématurée. Lorsque la puissance de charge diminue, une réduction du couple mécanique et de la vitesse de rotation du moteur diesel maintiendra l'efficacité de la combustion près des niveaux du régime nominal. Par conséquent, le générateur lui-même devrait fonctionner à une vitesse variable qui nécessite normalement des convertisseurs d'électronique de puissance. Une solution pour augmenter l'efficacité de la combustion à faibles charges électriques est de réduire le régime du moteur diesel (MD) à son régime idéal en fonction du couple mécanique requis par le générateur électrique. Par conséquent, les génératrices diesel à vitesse variable (GDVS) permettent le fonctionnement du MD à une vitesse optimale en fonction de la charge électrique, mais nécessitent un équipement électrique et un contrôle supplémentaire pour maintenir la puissance de sortie aux normes électriques. Afin de réduire les difficultés ci-dessus, l'industrie concentre actuellement son attention sur la mise en œuvre de techniques de contrôle plus sophistiquées. À la lumière de cela, la présente thèse aborde les deux solutions principales suivantes concernant la commande du groupe électrogène à MD. Premièrement, nous explorons un nouveau concept de générateur qui utilise un stator tournant en sens inverse du rotor, comme la vitesse relative entre les deux composants reste constante lorsque le MD ralentit. Le stator lui-même est entraîné par un moteur synchrone compensateur (CM) ou la vitesse relative du rotor est constante, éliminant ainsi l'utilisation des convertisseurs de puissance. Le modèle développé pour la machine synchrone à stator tournant est basé sur la transformation de Park. Ce nouveau concept a été modélisé à l'aide de l'environnement MATLAB/Simulink. Une validation expérimentale a été réalisée à l'aide d'un groupe électrogène diesel de 500 kW équipé d'un générateur synchrone à aimant permanent (PMSG). Les résultats numériques et expérimentaux sont satisfaisants et démontrent que la consommation de carburant est réduite avec un stator à mode rotatif pour PMSG lors de faibles charges électriques.Deuxièmement, la recherche porte sur le contrôle du moteur compensateur entraînant le stator du générateur à l'aide d'un variateur de fréquence par l'adaptation de la vitesse à sa valeur optimale en fonction de la variation de la charge électrique. Les performances de la stratégie de contrôle proposée ont été testées à l'aide d'une carte à microcontrôleur Freescale programmée en code C pour déterminer la tension appropriée pour le vari teur de fréquence. L'algorithme de contrôle utilise une application en temps réel implémentée sur une carte processeur de signal FDRM-KL25Z. Les performances de contrôle d'un moteur asynchrone de 2 kW (LabVolt EMS 8503-00 / 208 V / 3 f / 60 (50) Hz) ont été démontrées expérimentalement dans la présence des différentes conditions de fonctionnement. -- Mot(s) clé(s) en français : Des génératrices diesels, Stator rotatif, Efficacité énergétique, Impacts environnementaux, Régime de faible charge, Optimisation du carburant, Entraînement à fréquence variable, Algorithme de contrôle de la vitesse du moteur, Processeur de signal numérique. -- ABSTRACT: Diesel-driven generator sets constitute an important element in a broad spectrum of distributed electrical power generation applications worldwide. Due to their high reliability and low cost, diesel-driven generator sets continue to be the preferred choice whenever the power infrastructure is weak or requires backup from failsafe applications, such as hospitals, to interim mains establishment and expansion applications. Diesel-driven generator sets are subject to increasing demands regarding efficiency and performance, yet at the same time, they must be easy to commission and robust to disturbances. In addition, diesel generators (DGs) are set to work as a backup during power outages or to support the load in remote areas which are not connected to the national grid. Most of the time, DGs are working at a constant speed to produce reliable AC power, while electrical energy demand is fluctuating according to instantaneous power. In remote areas, high electric loads occur only during a few hours a day, which results in oversizing of DGs. During a low load operation, DGs are facing poor fuel efficiency and condensation of fuel residues on the walls of engine cylinders that increase friction and premature wear. When load power demand decreases, a reduction in both mechanical torque and rotational speed of the diesel engine will maintain the combustion efficiency near the levels of the nominal regime. Accordingly, the generator itself should operate at a variable speed, which normally requires power electronics converters. One solution to increase combustion efficiency at low electric loads is to reduce diesel engine (DE) speed to its ideal regime according to the mechanical torque required by the electrical generator. Therefore, Variable Speed Diesel Generators (VSDGs) allow the operation of the diesel engine at optimal speed according to the electrical load. This solution, require additional electrical equipment and control to maintain the power output to electrical standards. In order to reduce the above difficulties, the industry is currently directing its attention to the implementation of more sophisticated control techniques. In light of this, the present thesis addresses the following two main sections in relation to diesel-driven generator set control. First, we are exploring a new generator concept that uses a stator rotating in opposite direction to the rotor such as the relative velocity between the two components remains constant when diesel engine slows down. The stator itself is driven by a compensator synchronous motor (CM) such as the relative velocity of the rotor is constant, eliminating as such sophisticated power electronics. The model developed for the synchronous machine with a rotating stator is based on Park's transformation. This new concept was modeled using MATLAB/Simulink software. Experimental analysis has been conducted using a 500-kW diesel Genset equipped with a permanent magnet synchronous generator (PMSG). The numerical and experimental results are in good agreement and demonstrate that fuel consumption is reduced with a rotating-mode stator for PMSG while supplying low electrical loads. Second, the research addresses the control of the compensator motor driving the generator's stator using a variable-frequency drive that adapts the speed to its optimal value according to the electrical load power demand. The performance of the proposed control strategy was tested using a Freescale microcontroller card programmed in C-code to determine the appropriate voltage for the variable-frequency drive. The control algorithm uses a real-time application implemented on an FDRM-KL25Z signal processor board. The control performance of a 2-kW asynchronous motor (LabVolt EMS 8503-00/208 V/3 f/60(50) Hz) was demonstrated experimentally at different operating conditions. -- Mot(s) clé(s) en anglais : Variable speed diesel generator, Rotating stator, Energy efficiency, Environmental impacts, Low load regime, Fuel optimization, Variable frequency drive, Motor speed control algorithm, Digi al signal processor.

Type de document : Thèse ou Mémoire (Thèse)
Directeur(trice) de mémoire/thèse : Ilinca, Adrian
Information complémentaire : Thèse présentée dans le cadre du programme de doctorat en ingénierie en vue de l'obtention du grade de Philosophiae doctor.
Mots-clés : Générateurs électriques Moteurs diesel Économies d'énergie Modèles mathématiques Stator rotatif Optimisation
Départements et unités départementales : Département de mathématiques, informatique et génie > Génie
Déposé par : DIUQAR UQAR
Date de dépôt : 18 août 2021 18:07
Dernière modification : 18 août 2021 18:07
URI : http://semaphore.uqar.ca/id/eprint/1870

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