Nouvelle approche de détermination des paramètres de la machine asynchrone pour les transitoires électromagnétiques

RÉSUMÉ Le calculateur des paramètres de la machine asynchrone précédemment développé pour le logiciel EMTP (logiciel utilisé pour la simulation des transitoires électromagnétiques) utilise un modèle à rotor complexe qui inclut la saturation variable des inductances de fuite. Malgré l’ajout de l’algorithme Particle Swarm Optimization (PSO), ce calculateur ne parvient pas à trouver des paramètres pour toutes les machines, particulièrement pour celles de faible puissance. Les résultats n’ont également pas été validées directement en simulation. L’objectif de ce projet de maîtrise est donc, dans un premier temps, d’améliorer le calcul des paramètres en se basant sur les données du manufacturier, puis dans un deuxième temps de comparer les résultats analytiques avec les résultats de simulation et d’apporter des modifications aux paramètres si nécessaire. Tout d’abord, un modèle à cage double qui conserve la saturation variable des inductances de fuite et qui considère les pertes fer sous la forme d’une résistance à l’entrée du modèle est utilisé, alors que la fonction objectif qui permet de calculer l’erreur sur les spécifications est ajustée afin de prendre en compte un glissement nominal variable. De plus, l’algorithme PSO est conservé, mais l’ajustement dynamique des bornes est ajouté. Toutes ces modifications résultent en un nouveau calculateur nommé calculateur à glissement variable (CGV). Le CGV présente un taux de convergence de 95%, soit une nette amélioration par rapport au calculateur précédent qui présentait un taux de convergence de 57%. Ensuite, les résultats analytiques sont comparés avec les résultats de simulation afin de valider le modèle de la machine asynchrone dans EMTP. Les résultats sont parfaitement identiques lorsque la partie saturable des inductances de fuite est fixe, alors qu’il y a une erreur non négligeable lorsque ce n’est pas le cas. Puisque le CGV n’est pas aussi performant lorsque ce paramètre est fixe et qu’il est présentement impossible de le modifier dans EMTP, deux méthodes distinctes sont proposées afin de corriger ce problème. La première méthode analyse l’influence de chaque paramètre sur les spécifications de la machine dans le but de modifier les paramètres calculés à partir du modèle analytique, alors que la deuxième méthode incorpore l’erreur entre le modèle analytique et la simulation dans le calcul des paramètres. Les deux méthodes utilisent un API afin de lancer les simulations dans EMTP à partir de MATLAB sans avoir à modifier manuellement le fichier de simulation. Finalement, le régime transitoire de la machine est analysé, autant à travers les paramètres de la simulation que les paramètres électromécaniques. Les oscillations sont réduites en laissant suffisamment de temps à la machine pour se stabiliser avant de modifier la commande de vitesse, alors qu’une formule est utilisée pour calculer le moment d’inertie de la machine à partir de l’essai de démarrage à vide. Ce paramètre est nécessaire afin de bien représenter le régime transitoire de la machine lorsqu’elle n’est pas contrôlée en vitesse. La principale contribution de ce projet de maîtrise est une amélioration de la détermination des paramètres de la machine asynchrone à l’aide, entre autres, du calcul de l’erreur qui considère un glissement nominal variable ainsi que de l’ajout de bornes dynamiques sur les paramètres. Une preuve de concept pour deux méthodes distinctes qui permettent d’ajuster les paramètres de la machine de manière dynamique en fonction des résultats de simulation est également présentée.

Abstract

ABSTRACT The asynchronous machine parameters calculator previously developed for the EMTP (Electromagnetic Transients Program) software uses a complex rotor model that includes variable saturation of the leakage inductances. Despite the addition of the particle swarm optimization (PSO) algorithm, this calculator fails to find parameters for all machines, especially for low power machines. Also, the results have not been directly validated in simulation. The objective of this Master’s thesis is first to improve the calculation of parameters based on manufacturer's data, and then to compare analytical results with simulation results and to make modifications to parameters if necessary. This work starts with the development of a double-cage model that preserves the variable saturation of the leakage inductances and considers iron losses as a resistance at the input of the model, while the objective function that calculates the error on the specifications is adjusted to consider a variable nominal slip. In addition, the PSO algorithm is kept, but dynamic boundary adjustment is added. All these modifications result in a new calculator called variable slip calculator (CGV). The CGV presents a convergence rate of 95%, which is a clear improvement compared to the previous calculator which presented a convergence rate of 57%. Then, analytical results are compared with simulation results to validate the machine model in EMTP. The results are perfectly identical when the saturable part of the leakage inductance is fixed, while there is a non-negligible error when this is not the case. Since the CGV does not perform as well when this parameter is fixed and since it is currently impossible to modify it in EMTP, two distinct methods are proposed to correct this problem. The first method analyzes the influence of each parameter on the machine specifications to modify the parameters calculated from the analytical model, while the second method incorporates the error between the analytical model and the simulation in the calculation of the parameters. Both methods use an API to run the simulations in EMTP from MATLAB without having to manually modify the simulation file. Finally, the transient regime of the machine is analyzed, both through the simulation parameters and the electromechanical parameters. Oscillations are reduced by allowing sufficient time for the machine to stabilize before changing the speed command, while a formula is developed to calculate the moment of inertia of the machine from the no-load start-up test. This parameter is necessary to properly represent the transient regime of the machine when it is not speed controlled. The main contribution of this Master’s thesis is an improvement in the determination of asynchronous machine parameters using, among others, the calculation of error considering a variable nominal slip as well as addition of dynamic bounds on parameters. A proof of concept for two separate methods that allow the machine parameters to be adjusted dynamically according to the simulation results is also presented.