Soutenance mémoire
Dans l’industrie, particulièrement dans les pays développés, plus de la moitié de l’énergie électrique totale produite est convertie en énergie mécanique dans les moteurs électriques. Parmi plusieurs types de moteurs électriques, les machines asynchrones triphasées occupent une place prépondérante. En effet, Au moins 90% des systèmes de commande industriels utilisent des moteurs asynchrones, qui ont, petit à petit, pris la place des machines à courant continu en raison de leurs bonnes performances : fiabilité, robustesse, faible coût et maintenance simple.
En revanche, la commande des machines asynchrones peut devenir très complexe selon les performances souhaitées. Cette complexité est due principalement aux raisons suivantes:
– le modèle analytique de la machine asynchrone est non linéaire ;
– il s’agit d’un modèle multi-variables et fortement couplé ;
– présence d’incertitudes paramétriques et nécessité de prendre en compte leur variation dans le temps.
Les premières architectures de commande des machines asynchrones étaient basées sur la traditionnelle commande scalaire qui ne peut garantir que de modestes performances. Dans de nombreux domaines d’application, il est nécessaire de recourir à des commandes plus sophistiquées, compatibles avec les performances escomptées mais bien plus complexes. Grâce aux progrès technologiques réalisés dans le domaine de l’électronique de puissance et dans celui de l’électronique numérique, il est devenu possible de concevoir l’implémentation réelle de tels algorithmes de commande quelque soit leur degré de complexité et leur temps d’exécution. Aujourd’hui, le domaine de la commande des machines électriques est devenu une discipline à part entière. C’est un domaine multidisciplinaire qui inclut à la fois : l’électronique de puissance, l’automatique, et l’électronique numérique.
Modèle de la machine asynchrone
Dans cette partie, nous présentons la conception des différents modèles mathématiques de la machine asynchrone qui vont nous servir par la suite à l’élaboration des algorithmes de commande et d’observation. Ces modèles sont basés initialement sur la théorie de Park [1,2,3,6,7,101], qui consiste à réduire la dimension du référentiel (du triphasé au diphasé) en utilisant la transformation de Concordia, ainsi que le passage des grandeurs alternatives aux grandeurs continues en utilisant la transformation de Park. Il est à noter que le choix d’utiliser la transformation de Concordia plutôt que celle de Clarke revient au fait que la première assure la conservation de la puissance instantanée tant dis que la deuxième assure la conservation des modules (les amplitudes) ce qui n’est pas approprié pour la commande.
Equations physiques de la machine asynchrone
Afin de ne pas compliquer inutilement la mise au point de la commande et de l’observation de la machine asynchrone, nous adoptons un modèle basé sur les hypothèses de Park :
– Entrefer parfaitement lisse ;
– Distribution sinusoïdale de flux ;
– Pas de saturation du circuit magnétique ;
– Pertes fer négligeables ;
– Machine isotrope.
Commande vectorielle indirecte
Principe
Dans les machines électriques, le couple électromagnétique s’exprime par un produit vectoriel du courant induit et du flux inducteur. Pour une machine à courant continu, le champ inducteur et le courant induit sont naturellement orthogonaux. Ainsi, le couple est maximal ce qui donne aux machines à courant continu des performances remarquables en commande. Au contraire, une machine asynchrone présente un fort couplage entre toutes ses grandeurs électromagnétiques. L’objectif de la commande vectorielle des machines asynchrones est d’améliorer leur comportement dynamique et statique, grâce à une structure de contrôle similaire à celle d’une machine à courant continu. La composante d’axe d du courant statorique joue le rôle de l’excitation et permet de régler la valeur du flux dans la machine et la composante d’axe q joue le rôle du courant induit et permet de contrôler le couple. Cette commande appelée « commande à flux orienté » est basée sur un choix judicieux du repère (d.q) Ce dernier orienté de manière à ce que l’axe d soit en phase avec le flux désiré.
Dans le cadre de notre travail, Nous allons nous limiter à étudier la version indirecte de la commande vectorielle [1,3,106]. Cette version, basée sur les équations de la machine dans le référentiel tournant, permet d’estimer la position du flux rotorique. Elle présente l’avantage de ne pas nécessiter la mesure ou la reconstitution du flux mais exige la présence d’un capteur de position du rotor. Cette position est calculée à partir de la vitesse de la machine et d’autres grandeurs accessibles comme les courants ou les tensions statoriques. Toutefois, l’utilisation du modèle de la machine rend cette solution très sensible à la précision avec laquelle les paramètres du modèle sont connus. Ces paramètres dépendent largement des conditions de fonctionnement (saturation, échauffement, fréquence,..). En cas d’imprécision sur la détermination de ces paramètres, le découplage entre flux et couple ne sera pas assuré. La conséquence serait une dégradation des performances dynamiques et statiques.
Structure
Le principe de la commande vectorielle est de contrôler les deux composantes du courant, selon qu’on utilise une alimentation contrôlée en courant ou en tension. L’alimentation contrôlée en tension, consiste à imposer les tensions de références qui conviennent pour réguler les courants. La technique de modulation de largeur d’impulsion est très employée, elle permet d’appliquer à la machine, à partir d’une source de tension continue, des créneaux de tensions dont l’amplitude et la fréquence peuvent varier. La possibilité de réglage de la fréquence et de l’amplitude des grandeurs de sortie de l’onduleur s’avère très intéressante. C’est pour cette raison que nous avons retenu ce type d’alimentation pour le reste de notre travail.
En réalité nous n’avons accès qu’aux tensions et courants des trois phases de la machine, c’est à dire que le contrôle des courants de phases, par l’intermédiaire du contrôle des composantes d et q, impose en fait de contrôler les composantes d et q par les tensions de phases. On peut alors définir les principales fonctions que doit remplir une structure de commande vectorielle (contrôlée en tension) pour assurer un découplage entre flux et couple, et un contrôle dynamique des deux grandeurs : vitesse et flux.
|
Table des matières
Introduction Générale
Chap1 : Etat de l’art
1.1. Présentation de l’étude
1.2. Examen de la littérature existante
Chap2 : Commande à flux rotorique orienté de la machine asynchrone
2.1. Introduction
2.2. Modèle de la machine asynchrone
2.2.1. Transformations – référentiels
2.2.2. Equations physiques (Stator/Rotor)
2.2.3. Modélisation en régime transitoire : Modèle de PARK
2.2.4. Mise sous forme d’état
2.2.5. Modélisation aux perturbations singulières
2.3. Commande vectorielle indirecte (IFOC)
2.3.1. Principe
2.3.2. Structure
2.3.3. Description des composants du système de commande
2.4. Commande Backstepping
2.4.1. Principe
2.4.2. Application à la machine asynchrone
2.5. Commande Backstepping avec action intégrale
2.6. Résultats de simulation et expérimentaux
2.7. Conclusion
Chap3 : Observateurs et estimateurs pour la machine asynchrone
3.1. Introduction
3.2. Observateur de flux rotorique par modes glissants
3.3. Technique de filtrage synchrone des courants, des tensions et leurs dérivées
3.4. Estimation de la résistance rotorique
3.4.1. Estimation directe par filtrage synchrone
3.4.2. Estimation par MRAS classique
3.4.3. Estimation par RF-MRAS-Modes glissants
3.4.4. Résultats expérimentaux
3.5. Estimation simultanée de la vitesse rotorique et de la résistance statorique
3.5.1. Estimation par RF-MRAS classique
3.5.2. Estimation par RF-MRAS-Modes glissants
3.5.3. Résultats expérimentaux
3.6. Observateur pour le couple de charge
3.7. Estimation de la pulsation de glissement par MRAS
3.7.1 Résultats de simulation et expérimentaux
3.8. Conclusion
Chap4 : Fonctionnement à basse et en survitesse
4.1. Introduction
4.2. Partie I : mode basse vitesse
4.2.1. Analyse des sources d’erreurs et d’instabilités
4.2.2. Commande sans capteur mécanique à basse vitesse
4.2.2.1. Principe
4.2.2.2. Structure
4.2.3. Résultats expérimentaux
4.3. Partie II : mode survitesse : Technique de défluxage
4.3.1. Calcul de la valeur maximale du flux rotorique
4.3.2. Calcul de la valeur maximale du courant sur l’axe d
4.3.3. Calcul de la valeur limite du couple
4.3.4. Calcul de la vitesse de base
4.3.5. Région de défluxage
4.3.6. Simulation et résultats expérimentaux
4.3.7. Application d’une technique de défluxage
4.3.8. Schéma de la stratégie de défluxage
4.3.9. Résultats de simulation
4.4. Conclusion
Chap5 : Optimisation de l’énergie embarquée
5.1. Introduction
5.2. Calcul de la vitesse critique pour une chute de tension dans la batterie
5.2.1. Calcul du couple limite de la machine
5.2.2. Limitations pratiques
5.2.3. Calcul du couple de sortie maximum pratique
5.2.4. Calcul de la vitesse limite maximale
5.2.5. Simulation
5.3. Schéma global de la chaine de transmission d’énergie
5.4. Conversion d’énergie et pertes dans les sous systèmes
5.4.1. Pertes dans l’onduleur
5.4.2. Pertes dans la machine électrique
5.5. Calcul du rendement dans le cadre d’une commande vectorielle
5.6. Considérations pratiques
5.7. Algorithme d’optimisation
5.8. Résultats de simulation
5.9. Résultats expérimentaux
5.10. Conclusion
Conclusion générale
