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Soutenance de KHELIFA Moussa

République Algérienne Démocratique Et Populaire

Ministère De L’enseignement Supérieur Et De La Recherche Scientifique

Université 20 août 1955- Skikda

Faculté De Technologie

                          Département de Génie Electriques

 

 

Thèse présentée par KHELIFA Moussa en vue de l’obtention du diplôme de Doctorat en Génie Electrique

 Spécialité : Electrotechnique Appliquée

Thème: 

Contribution à la conception, la modélisation, l’optimisation et le contrôle des machines sans balais à aimants permanents (BLDC)

 

Soutenue publiquement le   **/**/****

Devant le jury composé de :

Président

Mr BOUKADOUM Ahcene     

Pr

Université de Skikda

Rapporteur

Mr MORDJAOUI  Mourad   

Pr

Université de Skikda

Co-encadreur

Mr MEDOUED Ammar

Pr

Université de Skikda

Examinateur

Mr BOUDEBOUZ Omar

MCA

Université de Skikda

Examinateur

Mr CHENNI Rachid

pr

Université Constantine 1

Examinateur

Mr KERDOUN Djallel           

pr

Université Constantine 1    

الملخص

يمكن للتقدم في المحركات الكهربائية المغناطيسية العالية الكفاءة أن يقلل بشكل كبير من تكلفة أنظمة الطاقة الصناعية والمنزلية، وكذلك في المجالات الأخرى التي تستخدم فيها ، مما يؤدي إلى خفض الاحتياجات من الوقود الأحفوري وخفض الإنبعاثات الخطيرة الناتج منه.

تصميم ومراقبة محركات المغناطيس الدائم ليست مهمة سهلة. إنها عملية شاملة تعتمد على عدة عوامل. على سبيل المثال ، عند تصميم شكل المحرك ، من الضروري ملاحظة الهندسة الدقيقة ونوع المغناطيس المستخدم ، وكذلك العوامل الاقتصادية ، وقيود المواد ، والمواصفات والعوامل الخاصة القائمة على التطبيقات ، كما هو الحال في نظام القيادة ، نحتاج وحدة تحكم عالية الموثوقية ، مع الأخذ في الاعتبار الأساليب المستخدمة في السيطرة.

يتم استخدام محركات التيار المباشر بدون فرش (BLDC) ، والمعروفة أيضًا بمحركات المغناطيس الدائم ، في العديد من التطبيقات. لقد تمكن جيل جديد من المتحكمات الدقيقة والإلكترونيات المتقدمة من التغلب على التحدي المتمثل في تنفيذ وظائف التحكم المطلوبة ، مما يجعل محركات (BLDC) أكثر عملية لمجموعة واسعة من الاستخدامات.

ركزت هذه الأطروحة على جانبين هامين في معظم الأبحاث العلمية على المحركات الكهربائية ، الجانب الأول هو التصميم والتحسين والمساهمة بمحرك ذو تيار مستمر ذو شقوق بدون فرش (BLDC) مع مغناطيس مُركب على السطح باستخدام طريقة المشكلة العكسية باختيار عدة معلمات وتحليل آثارها على أساس نهج البرمجة التربيعية المتتابعة. تم استخدام كثافة المجال المغناطيسي المثلى كهدف رئيسي ، وتم استخدام طريقة العناصر المحدودة لإجراء التحليل العددي باستخدام برنامج FEMM مقترنًا بـ Matlab وتم دمج المعلمات التي تم الحصول عليها في تصميم المحرك. بعد ذلك تم إجراء تحليل نصف عددي لأداء محرك BLDC من أجل قيم إزاحة قوس القطب المختلفة من أجل التحقق من تأثيره على فعالية المحرك. يتم تحديد هذا الأداء تحليليًا باستخدام Rmxprt وعدديًا بواسطة برنامج Maxwell.

أما الجانب الثاني هو التحكم وتحسين أنظمة القيادة في هذا المحرك الذي يقوم على وحدة تحكم PI للحصول على كفاءة عالية من طريقة محرك أساس لتحسين سرب الجسيمات (PSO) لضبط المعلمات (Kp،Ki) لمتحكمين من نوع  PI لإعطاء آثار إيجابية على قيمة خطأ الحالة المستقرة، ووقت ارتفاع وقت التسوية والتجاوز للحصول على سرعة استجابة جيدة. مقارنة هذه النتائج بتلك التي تم الحصول عليها من خلال طريقة Ziegler-Nichols، كانت الطريقة المقترحة أكثر فعالية بالفعل وقوية في تحسين سرعة استجابة سرعة محرك BLDC. إقترحت التغذية الاسترجاعية (Feedback) لمحرك BLDC.

يتم محاكاة هذه الطريقة ومحرك BLDC مع وحدات تحكم PI باستخدام  MATLAB / SIMULINK.

 

ABSTRACT

Progress in high-efficiency permanent magnet electric motors can significantly reduce the cost of industrial and household power systems, as well as in other areas where they are utilized, thereby reducing the needs for fossil fuels and cutting down, as a result, hazardous emissions.

The design and control of permanent magnet motors is not an easy task. It is a comprehensive process that depends on several factors. For example, when designing the shape of the engine, it is necessary to observe the exact geometry and type of magnet used, as well as economic factors, material limitations, specifications and special application-based factors, as for the driving system, we need a high reliability controller, taking into consideration the methods used in the control.

Brushless Direct Current (BLDC) motors, also known as permanent magnet motors, are used today in many applications. A new generation of microcontrollers and advanced electronics has overcome the challenge of implementing required control functions, making BLDC motors more practical for a wide range of uses.

This thesis focused on two important aspects that exist in most scientific research on electric motor, the first aspect is design and optimization and contribution a slotted permanent magnet Brushless DC (BLDC) motor with surface mounted magnets using an inverse problem method by selecting several parameters and analysing their effects based on the Sequential Quadratic Programming approaches. The optimal magnetic field density being considered as the main objective, finite element method was employed to perform numerical analysis by using FEMM software coupled with Matlab and the obtained parameters were integrated in the design of the motor. After that a semi-numerical analysis of the performance of a BLDC motor was performed for different pole arc offset values in order to investigate its effect on the effectiveness of the motor.  This performance is determined analytically by using Rmxprt and numerically by Maxwell software.

The second aspect is the control and improvement of the driving systems in this motor which is based on PI controller to get high efficiency of the drive based on particle swarm optimization (PSO) method to adjust the parameters (KP, Ki) for two PI Controllers to give positive effects on the value of this study state error, rise time settling time and overshoot to obtain a good response speed. Comparing these results to those obtained through the Ziegler-Nichols (ZN) method, the proposed method was indeed more efficient and robust in improving the step response speed of the BLDC motor. A speed feedback loop for a BLDC motor is proposed. This method and the BLDC motor with PI controllers are simulated using MATLAB / SIMULINK.

Résumé

 

Les progrès réalisés dans le domaine des moteurs électriques à aimant permanent et à haute efficacité ont permis de réduire considérablement le coût des systèmes électriques industriels et domestiques, et en d’autres domaines d'utilisation, réduisant ainsi les besoins en combustibles fossiles et les émissions dangereuses.

La conception et le contrôle des moteurs à aimants permanents n'est pas une tâche facile. C'est un processus complet qui dépend de plusieurs facteurs, par exemple, lors de la conception de la forme du moteur. Il est aussi nécessaire d'observer la géométrie exacte et le type d'aimant utilisé, les facteurs économiques, les limitations matérielles, les spécifications et les facteurs spécifiques liés à l'application. Comme pour le système d'entraînement, nous avons besoin d'un contrôleur de haute fiabilité, en tenent compte des méthodes utilisées dans le contrôle.

Les moteurs à courant continu sans balais (BLDC),également connus sous le nom de moteurs à aimants permanents, sont utilisés aujourd'hui dans de nombreuses applications.Une nouvelle génération de microcontrôleurs et les progrès dans le domaine de l’électronique ont permis de surmonter le défi de la mise en œuvre des fonctions de  contrôle requises, rendant les moteurs BLDC plus pratiques pour une large gamme d'utilisation.

Cette thèse est focalisée sur deux aspects importants qu’on retrouve dans la plupart des recherches dédiées aux moteurs électriques. Le premier aspect est la conception, l'optimisation et la contribution d'un moteur à courant continu sans balai à aimant permanent à encoches (BLDC) avec des aimants montés en surface,  en utilisant le procédé du problème inverse à travers la sélection de plusieurs paramètres et l’analyse de leurs effets sur la base des approches de programmation quadratique séquentielle (SQP). La densité du champ magnétique optimale dans l’entrefer étant considérée comme l’objectif principal, la méthode des éléments finis est utilisée pour effectuer une analyse numérique en utilisant un logéciel FEMM couplé à Matlab. Après une analyse semi-numérique de la performance d'un moteur BLDC a été effectuée pour différentes valeurs de décalage d'arc polaire afin d'étudier son effet sur l'efficacité du moteur. Cette performance est déterminée analytiquement en utilisant un logéciel RMxprt et numériquement par le logiciel Maxwell.

Le deuxième aspect est le contrôle et l'amélioration des systèmes d'entraînement de ce moteur qui est basé sur un régulateur PI pour obtenir une grande efficacité de l'entraînement. La méthode mise en jeu est l'optimisation par essaims particulaires (PSO) qui permet d’ajuster les paramètres (KP, Ki) de deux contrôleurs PI, pour donner des effets positifs sur la valeur de l’erreur statique, le temps de montée, le temps d'établissement et le dépassement pour obtenir une bonne vitesse de réponse. En comparant ces résultats à ceux obtenus par la méthode de Ziegler-Nichols (ZN), la méthode proposée s’est révélée en effet plus robuste et plus efficace pour améliorer la vitesse de réponse pas à pas du moteur BLDC. Une boucle de retour de vitesse pour un moteur BLDC est proposée. Cette méthode et le moteur BLDC avec contrôleurs PI sont simulés à l'aide de MATLAB / SIMULINK.

Adresse:

 

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Adresse:

BP 26 Route d'El-Hadaiek 21000 Skikda - ALGERIE

(Faculté de Technologie- Département de Pétrochimie & Génie des procédés)

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