Soutenance mémoire
Organisation des différentes parties du rapport
Dans le chapitre 2, nous positionnerons le présent travail. Une actualisation des récentes recherches sera présentée, ainsi que les objectifs du présent projet de maîtrise. Le chapitre 3 couvre la machine asynchrone. Nous présenterons les modèles mathématiques du moteur asynchrone (MAS) et de la génératrice asynchrone auto excitée (GAAE). La conversion des équations dans le référentiel de Park sera présentée. La réduction des équations sera couverte. L’effet de la saturation sera présenté et nous l’intégrerons au modèle de la machine asynchrone. Nous calculerons les conditions initiales et nous réaliserons la mise en oeuvre numérique de la machine asynchrone. Nous ferons également le calcul de banc de condensateurs d’auto-excitation. Des simulations numériques seront comparées à des mesures expérimentales de démarrage de la machine asynchrone en mode moteur et de l’amorçage en mode génératrice.
Le chapitre 4 traite de la machine synchrone. Nous élaborerons les modèles mathématiques de la machine synchrone. Nous aborderons plusieurs aspects : la conversion des grandeurs physiques en valeur réduite, les équations de Park et l’intégration de la saturation. Nous calculerons les conditions initiales et nous réaliserons la mise en oeuvre numérique de la machine synchrone. Nous utiliserons la structure admittance et la structure hybride. Nous formulerons les expressions analytiques à partir de la structure hybride. Les simulations numériques d’essais de courts-circuits triphasés, d’essai de délestage de charge électrique, d’ essai d’enclenchement de charge et d’essai de court-circuit de champ seront comparées à des mesures expérimentales. Au chapitre 5, nous présenterons la technique d’identification aux moindres carrés pondérés. Nous montrerons l’efficacité de cette méthode. Les résultats de l’identification de la machine asynchrone avec un essai de démarrage est présenté. Les résultats de l’identification de la machine synchrone sont aussi présentés dans des essai de délestage de charge, d’encenchement de charge et de courtcircuit de champ. Le chapitre 6 donne un aperçus du logiciel de simulation et d’identification conçu dans l’environnement « Maltab ». Nous présentons les caractéristiques principales de ce logiciel qui regroupe les développements réalisés dans le mémoire. Une description du logiciel, un mode d’emploi, la procédure d’exécution d’une tâche donnée et ses limites seront également présentés. Nous clôturons cette étude par une conclusion générale qui résume les points saillants du travail accompli.
Essai de court-circuit de champ à vide
Ce chapitre a présenté la modélisation de la machine synchrone. Les expressions temporelles ont été développées avec la transformée de Laplace du modèle hybride simplifié. Nous avons fait la mise en oeuvre numérique. Des mesures expérimentales ont été comparées aux simulations numériques Le court-circuit triphasé sert ici à valider les paramètres de la machine expérimentale utilisée dans les différents essais. Les essais d’enclenchement de charge et de court-circuit de champ discutés dans le présent travail sont nouveaux. Il est important de comparer ces essais avec des essais connus. Toutes les simulations ont été faites avec les paramètres du tableau 4-2. Le délestage à 100 % donne de bons résultats. La prédiction de la tension au stator est bonne, mais les paramètres peuvent être affinés pour donner de meilleurs résultats. Une erreur existe entre le courant de champ prédit et mesuré. Cette erreur peut être due à l’impédance d’ entrée de la sonde utilisée. Le modèle hybride est incomplet pour l’étude de l’enclenchement de charge à l’exception de grandes charges. Le comportement du courant au stator est directement lié au comportement de la tension.
La tension aux bornes de la machine subit une variation importante de la tension après 1 ‘enclenchement de charge. Les expressions analytiques supposent que le courant prend la forme d’un échelon. La forme d’un échelon n’est pas présente dans l’enclenchement de charge. l’ enclenchement d’une charge inductive provoque des oscillations du courant de champ. Le modèle hybride tout seul ne prédit pas cette oscillation. Une structure hybride complète avec deux charges en parallèle est développée. La nouvelle structure permet de simuler le comportement du courant de la charge. La nouvelle structure prédit mieux Je comportement du courant de champ et de la tension au stator dans un essai d’enclenchement de charge inductive et résistive. Le délestage de faible charge provoque des réactions dynamiques importantes de la tension au stator. La faible charge importante répond par des réactions dynamiques importantes du courant au stator. La modélisation du courant par une marche est efficiente dans ce cas. Nous avons ici un essai innovateur, le court-circuit de champ. Nous avons contourné le problème lié à la modélisation du courant au stator dans cet essai. Le courant au stator est toujours nul sans charge électrique. L’essai peut-être modélisé par le modèle hybride et les expressions analytiques.
La technique d’estimation nous a servi à approximer un groupe de paramètres pour chaque essai identifié. La méthode des moindres carrés pondérés participe bien à la minimisation. Nous voyons que les mesures expérimentales s’ utilisent pour identifier les paramètres des machines. Les trois tensions n’ont pas été mesurées. Les tensions dans le repère de Park découlant des essais expérimentales n’ont pas pu être calculées. L’identification à l’aide de la mesure des trois phases donnerait de meilleurs résultats. Un bruit important sur la mesure du courant de champ est présent dans les mesures expérimentales. La présence d’harmoniques dans la tension de phase n’est pas simulée par le modèle. Les perturbations rendent difficile l’ identification des paramètres. Une méthode incluant le filtrage permettrait de contourner les effets du bruit. L’identification vue dans ce chapitre montre que les paramètres diffèrent d’un essai à l’autre. Les charges réactives entraînent des courants dans l’axe« d »et des courants faibles dans l’axe« q ».Le délestage de charge purement inductive et de charge purement capacitive ne permet pas d’identifier les paramètres dans l’axe« q ». L’identification des paramètres dans l’axe« q » ne donne pas des résultats réalistes en l’occurence.
Le délestage de charge mixte permet une approximation des paramètres dans l’axe« q ». L’identification donne des résultats légérement différents entre un délestage total inductif et un délestage total capacitif. La charge capacitive participe à l’ excitation de la machine. Une charge capacitive amène la machine en saturation magnétique même si la tension est réduite. L’identification avec les expressions analytiques ne tient pas compte de la saturation. Nous avons pu voir que les paramètres obtenus d’un essai à l’autre sont différents pour les essais sur la machine synchrone. La différence ne vient pas de l’utilisation de modèles différents. Beatcher a réalisé l’identification sur une machine synchrone avec le modèle hybride (Beatcher, 2004). Nous avons observé un déphasage anormal d’environ 12° à 14° sur la mesure du courant. Un déphasage introduit par les sondes à courant. Nous supposons que l’impédance des sondes à tension et les sondes à courant perturbent suffisamment les mesures expérimentales. Les modèles numériques ne tiennent pas compte de l’impédance des sondes. Les mesures expérimentales deviennent des stgnaux qui résultent d’un modèle plus complexe que la machine toute seule. Les essais expérimentaux distincts deviennent ici des phénomènes distincts. Nous avons validé l’identification avec des essais expérimentaux le plus similaires possible. Le court-circuit de champ est fait ici avec les expressions analytiques. L’essai expérimental se déroule sans charge et à tension réduite. Ici, l’essai permet d’identifier les paramètres dans l’axe« d »uniquement. Le court-circuit de champ peut être repris avec d’autres modèles et avec des cas de charge. L’identification de l’enclenchement de charge ne tient pas compte du comportement mécanique. Des essais expérimentaux restent à faire. L’algorithme d’optimisation fonctionne. L’algorithme s’applique indépendamment de l’essai et indépendamment du modèle utilisé.
Conclusion générale
La présente étude nous a permis d’aborder la modélisation de la machine asynchrone. La saturation a été ajoutée au modèle. Le modèle admittance a été validé en mode moteur avec des mesures expérimentales. Le calcul de condensateur d’amorçage a été couvert. Le modèle de la génératrice autonome auto excitée (GAAE) avec une charge RL «shunt» a été développé et le modèle de la GAAE est validé avec des mesures expérimentales. Nous avons aussi couvert la modélisation de la machine asynchrone. La saturation magnétique a été prise en compte. Le modèle hybride a été développé. Les expressions analytiques ont été développées par la transformée de Laplace du modèle hybride. Un modèle hybride général a été développé pour tenir compte du comportement dynamique du courant de la charge. Le modèle hybride a été validé avec des essais expérimentaux de délestage de charge, des essais expérimentaux d’enclenchement de charge et un court circuit de champ. Le modèle hybride seul ne permet pas de prédire correctement 1′ enclenchement de charge, car le courant de la charge varie en fonction du comportement de la tension terminale. Les mesures expérimentales montrent que 1′ enclenchement de charge inductive provoque une oscillation dans le courant de champ.
La simulation du comportement du courant de la charge avec le modèle hybride permet de reproduire cette oscillation dans le courant de champ. La simulation de certains essais marginaux impliquant des charges électriques nécessite la prise en charge de la simulation de ces charges électriques. Nous avons également abordé l’identification. La méthode des moindres carrée pondérée a été utilisée pour construire une fonction objective. Nous avons présenté l’algorithme Quasi Newton. L’identification est faite à partir de plusieurs mesures expérimentales. Elle est réalisée sur le démarrage d’un moteur asynchrone. Plusieurs essais de délestage ont été utilisés pour identifier les paramètres de la génératrice synchrone. Un logiciel a été élaboré pour regrouper l’ensemble des travaux exécutés. Le programme possède une interface graphique. Il permet de configurer les paramètres de la machine triphasée, synchrone ou asynchrone. Une courbe à vide peut être éditée pour tenir compte de la saturation. Des mesures expérimentales peuvent être prises pour être comparées aux simulations numériques. Il est possible de calculer les conditions initiales. La simulation et l’identification des paramètres peuvent être réalisées. Les interfaces graphiques du logiciel sont présentées et décrites.
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Table des matières
Résumé
Abstract
Avant-propos
Table des matières
Liste des figures
Liste des tableaux
Liste des symboles
Chapitre 1 : Introduction générale
1.1 Intérêts socio-économiques du sujet
1.2 Intérêts scientifiques du sujet
1.3 Organisation des différentes parties du rapport
Chapitre 2 :Aspects généraux de la modélisation des machines électriques
2.1 États de l’art dans la modélisation et l’identification des machines électriques
2.1.1 Machine asynchrone
2.1.2 Machine synchrone
2.2 Objectifs spécifiques du sujet par rapport à l’état de l’art
2.2.1 Machine asynchrone
2.2.2 Machine synchrone
2.2.3 Logiciel de simulation et d’ identification
Chapitre 3 : Modélisation de la machine asynchrone
3.1 Équations électromécaniques de la machine asynchrone en grandeurs de phase
3 .1.1 Hypothèses simplificatrices
3 .1.2 Mode de fonctionnement de la machine
3 .1.3 Équations électriques
3 .1.4 Relation entre les flux et les courants
3.1.5 Transformation de Park
3 .1.6 Équations électriques dans les axes « d » et « q »
3.1.7 Équations magnétiques dans les axes d et q
3 .1 .8 Équations mécaniques
3.2 Équations électromécaniques en grandeurs réduites (pu)
3 .2.1 Les valeurs réduites
3 .2.2 Réduction des équations électriques et magnétiques
3.2.3 Réduction des équations mécaniques
3.3 Généralisation: Machine asynchrone à circuits rotoriques ajustables
3.4 Modèles d’état généralisé de la machine asynchrone
3 .4.1 Introduction
3.4.2 Équations électriques
3.4.3 Équation mécanique
3 .4.4 Calcul des conditions initiales
3.5 Modèle de saturation de la machine asynchrone
3.5.1 Modèle croisé à facteur de saturation
3.5.2 Identification des paramètres du modèle de saturation
3.6 Exemple de calcul du modèle d’état électromécanique saturé de la machine asynchrone
3.6.1 Paramètres de la machine asynchrone
3.6.2 Calcul des grandeurs de référence et réduction des paramètres
3.6.3 Coefficients de la courbe de saturation
3.6.4 Déterminer le degré de saturation
3 .6.5 Calcul des conditions initiales
3 .6.6 Exemple de calcul des conditions initiales
3.7 Analyse en mode moteur
3.7.1 Mise en oeuvre numérique des essais dynamiques
3.7.2 Validation du modèle avec un essai de démarrage
3.7) Discussions
3.8 Fonctionnement en génératrice asynchrone auto excitée (GAAE)
3.8.1 Circuit équivalent d’une génératrice asynchrone auto excitée (GAAE) en simple shunt
3.8.2 Calcul des condensateurs d’amorçage: Méthodologie
3.8.3 Modèle d’état électromécanique d’une génératrice asynchrone
3.8.4 Mise en oeuvre numérique des essais dynamiques
3.8.5 Validation du modèle avec essai réel
3.8.6 Discussions et conclusion
Chapitre 4 : Modélisation de la machine synchrone
4.1 Équation électromécanique de la machine synchrone en grandeurs de phase
4.1 .1 Équations des tensions
4.1.2 Équations de flux
4.1.3 Équations électriques de Park
4.1.4 Relation entre le flux et le courant de Park
4.1.5 Les équations mécaniques
4.2 Équations électromécaniques en grandeurs réduites (pu)
4.2.1 Les valeurs réduites
4.2.2 Calcul de grandeurs de référence et réduction des paramètres
4.2.3 Réduction des équations électriques et magnétiques en pu
4.2.4 Réduction des équations mécaniques
4.3 Modèles d’ état de la machine synchrone : structure admittance et hybride
4.3.1 Structure admittance
4.3.2 Modèle hybride de la machine synchrone
4.3.3 Calcul des conditions initiales
4.4 Modèle de saturation de la machine synchrone
4.5 Modèles d’état électromécaniques saturés de la machine synchrone:modèles admittance et hybride
4.5.1 Prise en compte de la saturation
4.5.2 Modèle d’état électromécanique
4.5.3 Calcul des conditions initiales
4.6 Modèle analytique hybride de la machine synchrone
4.6.1 Développement analytique du modèle hybride
4.6.2 Mise en oeuvre numérique des essais dynamiques
4.7 Validation du modèle avec les essais réels: modèle admittance, modèle hybride, modèle
4.7.1 Paramètres de la machine synchrone
4.7.2 Coefficents de saturation
4.7.3 Modèle admittance
4.7.3.1 Court-circuit triphasé
4.7.4 Modèles d’état et analytique hybride
4.8 Conclusion
Chapitre 5 :Identification des machines asynchrones et synchrones
5.1 Introduction
5.2 Mesure expérimentale
5 .2.1 Identification en différé
5.2.2 Mesure expérimentale
5.2.3 Machine Asynchrone
5.2.4 Machine synchrone
5.2.5 Oscilloscope numérique
5.3 Processus d’identification
5.3.1 Identification par la méthode des moindres carrés pondérés
5.3 .2 Estimateur aux moindres carrés pondérés
5.3.3 Limites de recherche
5.3.4 Algorithme d’optimisation
5.3.5 Approximation de la matrice Hessienne
5.3.6 Algorithme BFGS
5.3.7 Déterminer le déplacement
5.3.8 Critères d’arrêts
5.4 Identification d’un moteur asynchrone
5.5 Identification de la machine synchrone
5.5.1 Court-circuit triphasé symétrique
5.5.2 Délestage total d’une charge purement inductive
5.5.3 Délestage inductifrésistif
5.5.4 Délestage d’une charge capacitive résistive
5.5 .5 Délestage partiel inductive résistive
5.5.6 Court-circuit du circuit de champ
5.5.7 Enclenchement d’une charge inductive
5.5.8 Enclenchement d’une charge inductive résistive
5.6 Conclusion
Chapitre 6 : Logiciel
6.1 Introduction
6.2 Matlab/Simulink
6.3 Essais possibles et modèle disponibles
6.3 .1 Démarrage d’un moteur asynchrone
6.3.2 Amorçage d’une génératrice asynchrone auto excitée (GAAE)
6.3.3 Court-circuit triphasé symétrique d’une génératrice synchrone
6.3 .4 Délestage de charge et le court-circuit de champ
6.3 .5 Enclenchement de charge
6.4 Installation du logiciel
6.5 Exemple d’utilisation avec un essai expérimental
6.5 .1 Démarrage du logiciel
6.5.2 Choix d’un modèle
6.5.3 Configuration des paramètres
6.5.4 Définir les paramètres de saturation
6.5.6 Ouverture des mesures expérimentales
6.5.7 Calcul des conditions initiales et finales
6.5.8 Simulation de l’essai
6.5.9 Affichage des résultats
6.5 .1 0 Identification des paramètres
6.6 Description des interfaces
6.6.1 Programme de simulation et d’identification« soft»
6.6.2 Interfaces graphiques de la machine synchrone
6.6.3 Interfaces graphiques de la machine asynchrone
6.7 Limites du logiciel
6.7.1 Modèle d’état instable
6.7.2 Erreur d’exécution
6.7.3 Paramètres mécaniques
6.7.4 Mode de la machine
6.8 Ajout et modification du logiciel
6.9 Conclusion
Chapitre 7 : Conclusion générale
Bibliographie
Annexe A
A.1 Schéma fonctionnel « Simulink »
A.2 Initialisation des variables
A.3 Calcul du modèle de saturation
A.4 Calcul des matrices d’état incluant la saturation
A.5 Autres fonctions
Annexe B
B.1 Schéma fonctionnel « Simulink »
B.2 Programme d’identification
B.4 Simulation des essais
B.5 Modèle d’état hybride complet avec chargeR et charge RL
B.6 Modèle d’état de la GAAE avec charge RL «shunt»
B.7 Expressions analytiques
B.8 Calcul des conditions intiales de la machine synchrone
B.9 Calcul des conditions inti ales de la machine asynchrone
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