Dimensionnement des actionneurs électriques alimentés à fréquence variable sous faible tension

II. Optimisation avec modèle couplé magnétique, thermique, électrique

Laboratoire d'Électromécanique, Université de Technologie de Compiègne, B.P. 20529, 60205 Compiègne Cedex, France

Auteur de correspondance : Jean-Marie.Biedinger@utc.fr

Reçu : 23 Novembre 1998
Révisé : 3 Juin 1999
Accepté : 28 Juin 1999
15 Septembre 1999

Résumé

Dans une première partie nous avons développé un modèle d'analyse pluridisciplinaire qui établissait les dépendances fonctionnelles entre les variables de conception et les performances magnéto-électro-thermiques d'un moteur brushless à aimants permanents. Dans cet article nous décrivons une procédure de dimensionnement adaptée à la conception de la machine alimentée à fréquence variable sous faible tension. L'objectif est d'intégrer la dynamique du convertisseur électronique dès la phase initiale du dimensionnement, au même titre que les spécifications électromécaniques et thermiques. La procédure est gérée par une méthode d'optimisation déterministe de type Programmation Quadratique Séquentielle. Elle intègre l'influence du convertisseur au moyen de deux spécificités : la première consiste à évaluer les fonctions du problème d'optimisation sur la base du module d'analyse pluridisciplinaire ; la deuxième permet de contrôler l'évolution du dimensionnement au travers de variables d'optimisation dont la liste inclut les consignes de la commande en courant du convertisseur. Les difficultés d'optimisation liées au mode de fonctionnement discret du convertisseur sont discutées au regard du calcul de la sensibilité du couple électromagnétique envers la consigne de courant du convertisseur ; une méthode est proposée pour assurer la robustesse de la procédure en présence du convertisseur. L'application porte sur le dimensionnement d'un moteur à aimants permanents de type “brushless trapézoïdal" destiné à la traction d'un scooter électrique ; l'évolution de la structure optimale avec le degré de complexité du module d'analyse est mise en évidence.

Abstract

In Part I we present a multidisciplinary analysis model for the prediction of functional connections between the design variables and the electromagnetical, electrical and thermal performances of a brushless permanent magnet motor. In this paper we have elaborated a design methodology for electrical motors supplied from a variable-frequency low-voltage source. The objective is to take into account the influence of the inverter's dynamics from the beginning of the design, for the same reasons as we do for electromechanical and thermal constraints. The procedure is based on a Sequential Quadratic Programming optimization method. Two techniques are used to take into account the influence of the inverter: the first one develops the performance analysis with the multidisciplinary model; the second one considers the inverter's current reference as a supplementary optimization variable for the control of the design. Optimization difficulties linked to the chopping of the converter are discuted in connection with a sensitivity analysis of the torque, with respect to the inverter's current reference; a method is proposed to enhance the performances of the algorithm. The method has been applied to the design of a permanent magnet brushless DC motor used in the propulsion system of an electrical scooter; evolution of the design with the complexity level of analysis model is evidenced.