Soutenance mémoire
Aujourd’hui, les machines électriques sont de plus en plus importantes dans tous les secteurs (entrainements industriels, industrie automobiles, avionnerie, systèmes de tractions et industrie agricole, …). Parmi ces machines, on trouve les machines synchrones à aimants permanents qui occupent une place importante dans la commande des mécanismes industriels, les systèmes automatisés et dans les domaines des énergies renouvelables (énergie solaire, énergie éolienne et les systèmes hybrides …). Actuellement, dans les entrainements à vitesse variable, l’emploi des moteurs synchrones à aimants permanents (MSAP), surtout pour les faibles puissances et dans certaines applications industrielles spéciales, remplace le moteur à courant continu et le moteur asynchrone, car il a un rendement, un facteur de puissance et couple massique élevés [1-2]. Par ailleurs le MSAP, il n’a pas un circuit d’excitation au niveau du rotor et ni de collecteur, ce qui permet un entretient mineur par rapport à celui du moteur à courant continu.
La commande du MSAP est très difficile à cause de son comportement non linéaire. Ceci a permis le développement de plusieurs techniques de commande, liées à l’électronique de puissance et la technologie des semi-conducteurs, qui ont permis la conception de convertisseurs statiques comme les onduleurs, les redresseurs, les hacheurs, les variateurs de fréquences et les variateurs de vitesses. A partir de ces convertisseurs, on peut commander et régler la vitesse des moteurs synchrones à aimants permanents. En outre, le MSAP est bien adapté aux convertisseurs d’électronique de puissance, c’est-à-dire l’association MSAPVariateur de vitesse donne une large gamme de vitesse (hautes vitesses, basses vitesses). Afin de permettre un fonctionnement du moteur synchrone à aimants permanents, dans une dynamique élevée, plusieurs techniques de commande ont été développées, parmi lesquelles on peut citer, la commande par flux orienté, le contrôle direct du couple, la commande sans capteur mécanique, la commande par mode glissant, la commande non linéaire et les techniques d’observations et d’estimations.
MODELISATION ET SIMULATION DES SYSTEMES ELECTROMECANIQUES
Le moteur synchrone est un actionneur électromécanique, son rotor tourne en synchronisme avec le champ tournant du stator, c’est-à-dire à la même vitesse que ce champ. Cette vitesse est donc liée à la fréquence de la source et comme cette fréquence est constante, la vitesse du moteur est rigoureusement constante. Elle ne varie ni avec la charge, ni avec la tension de la source. Cependant, l’utilisation du moteur synchrone dans la plupart des applications industrielles ne tient généralement pas au fait que sa vitesse est constante, elle dépend surtout de ses propriétés électriques tout à fait particulières, comme nous le verrons dans ce chapitre, selon[15], sa construction est comme suit :
Le stator est la partie fixe de la machine, composé de trois enroulements décalés l’un par rapport à l’autre de 120° et qui permettentle passage du courant et la création du champ magnétique statorique.
Le rotor est la partie mobile de la machine, son rôle est de produire le champ magnétique rotorique. On constate plusieurs types de rotor, à savoir les rotors bobinés à pôles lisses, les rotors bobinés à pôles saillants et les rotors à aimants permanents (lisses, saillants et à réluctances variables) .
COMMANDE ET ESTIMATION DES PARAMETRES DU MSAP ENTRAINANT UNE CHARGE A INERTIE VARIABLE
Actuellement dans l’industrie algérienne un pourcentage considérable de régulateurs utilisés est de types PI et PID. Pour des commandes robustes, on utilise des entrainements électriques baséssur des techniques avancées de contrôle.La commande vectorielle est l’une de ces techniques adoptées dans l’entrainement des systèmes électromécaniques. Pour mettre en évidence ce type de commande associée à un moteur synchrone à aimants permanents à pôles saillants avec une charge mécanique variable (multi-masses), on l’alimente par un onduleur de tension à trois niveaux commandé par la technique MLI. En premier lieu, nous avons appliqué la commande vectorielle sans observateurs au MSAP en utilisantdes régulateurs proportionnelsintégraux et dérivés (PID) pour l’amélioration des performances (temps de réponse, rapidité et stabilité). En second lieu on améliore la dynamique du MSAP et on minimise les erreurs à la sortie par la conception d’observateurs capables de diminuerles erreurs et mettre le MSAP dans des régimes de fonctionnement statique et dynamique élevés.
OBSERVATEURS D’ETATS
Pour réduire le coût des capteurs, des développements d’estimateurs et d’observateurs ont été réalisés à partir d’équations mathématiques du moteur synchrone à aimants permanents. Nous les utilisons, parce qu’ils sont moins sensibles à la variation paramétriques et les grandeurs estimées, comme la vitesse et la position, sont très précises. Ceci permet d’augmenter les performances dynamiques et statiques du MSAP associée à sa commande. On peut citer quelques travaux réalisés dans le domaine de l’estimation et de l’observation. La régulation de la vitesse et des courants pour un MSAP via la technique non linéaire adaptative backstepping, et estimations de ses paramètres a été traité par Murat. Karabacak [1]; ont estimé la vitesse et la position du MSAP via l’observateur d’état (ESO) a été réalisé par Shihua Li [31] ; commande direct du couple du MSAP à double alimentation, la régulation des courants et de la vitesse sont réalisées par deux contrôleurs (proportionnel intégral et mode de glissant), l’estimation du flux et du couple électromagnétique est conçu par la transformation de Concordia triphasé- biphasé selon Badreddine NAAS [32] ; estimation de la vitesse et de position du MSAP à surface permanente par un observateur auto-adaptatif du flux (SAO) a été fait par Zhengqiang Song [33] ;commande prédictive en courant du MSAP et estimation du couple électromagnétique et du flux lors de l’application de transformations de Concordia (système triphasé en système biphasé) d’après Florent Morel [34];.Estimation de la vitesse et des courants du MSAP par un observateur à mode de glissement qui est réalisé par Sanath. Alahakoon .
Applications des observateurs
Dans le domaine de l’observation et de l’estimation, il existe plusieurs types d’observateurs. Leurs utilisations dépendent de la nature du système utilisé. D’après leurs fonctions, les observateurs sont classés en deux modes :
Observateurs utilisés dans les systèmes linéaires
On trouve dans ce type, l’observateur de LUENBERGER et l’observateur à filtre de KALMEN, qui sont basés sur la matrice [A].Cette dernière est invariante et linéaire avec le temps.
Observateurs utilisés dans les systèmes non-linéaires
On trouve plusieurs types dans ce domaine, on peut citer :
– Les observateurs à mode de glissement ;
– Les observateurs basés sur la méthode de LYAPOUNOV ;
– Les observateurs à structure variable…etc.
Du modèle mathématique du MSAP et de sa charge mécanique présenté dans le chapitre I,on tire la commande vectorielle du MSAP entrainant une charge mécanique à trois masses, on développe deux principes de contrôle véctoriel (control du couple avec lois de commande simplifier et celuiavec un couple réluctant).
Pour estimer les variables à la sorite du MSAP et sa charge on a étudié théoriquement trois observateurs (observateurs de Luenberger, observateurs à filtre de Kalman et Observateur à Mode Glissant), l’observateur de Luenberger est l’observateur que nous avons utilisé dans notre simulation à l’avantage d’estimer les variables de sortie du moteur et de la charge. Les résultats obtenus par la simulation montrent l’efficacité de l’observateur qui a l’avantage d’éliminer les oscillations et les bruits de mesures issus à l’encodeur, ainsion améliore la dynamique de la vitesse. Les régulateurs utilisés dans cette commande sont les contrôleurs PI et PID, pour donner une gamme de réglage des vitesses (basses vitesses, grandes vitesses).
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Table des matières
Introduction Générale
Chapitre I: Modélisation et Simulation des Systèmes Electromécaniques
I.1. INTRODUCTION
I.1.1. Structure des moteurs synchrones a aimants permanents avec et sans pièce polaire
I.1.2. Modélisation des moteurs synchrones a aimants permanents
I.1.3. Hypothèses simplificatrices de la machine synchrone a aimants permanents
I 1.4. Mise en équation
I.1.5. Application de la transformation de Park
I.1.6. Les modèles de la machine synchrone à aimants permanents
I.1.6.1. Référentiel lie au rotor
I.1.6.2. Référentiel d’estimation
I.1.6.3. Référentiel lie au stator
I.1.7. Schéma bloc du moteur synchrone à aimant permanent dans le repère de Park
I.1.8. Modèle d’état non linéaire du MSAP dans le repère
I.1.9. Modèle d’état non linéaire de la MSAP dans le repère fixe
I.2. MODELISATION DES SYSTEMES MECANIQUES
I.2.1. Modèle théorique du système mécanique multi- masses
I.2.2. Modélisation d’un système à deux masses et avec accouplement élastique
I.2.3. Modélisation d’un système mécanique utilisé dans la traction ferroviaire
I 3. MODELISATION DE L’ONDULEUR DE TENSION
I.3.1. Définition
I.3.2. Modélisation de l’onduleur de tension a trois niveaux
I.3.3. Onduleur de tension a mli
I.3.3.1. Modulation de largeur d’impulsion sinus triangle
I.4. COMMANDE DES SYSTEMES ELECTROMECANIQUES
I.4.1. Résultats de la simulation
I.4.2. Discussion des résultats
I.5. CONCLUSION
Chapitre II : Commande et Estimation des Paramètres du MSAP Entrainant une Charge à Inertie Variable
II.1. INTRODUCTION
II.2. PRINCIPE DE CONTROLE VECTORIEL
II.2.1. Stratégie de commande basée sur les courants et le couple reluctant
II.2.2. Contrôle en courant avec loi de commande simplifiée
II.3. ASSERVISSEMENT ET REGULATION DES COURANTS ET DE LA VITESSE
II.3.1. Boucle de régulation par le courant
II.3.2. Boucle de régulation par le courant
II.3.3. Boucle de régulation de la vitesse par PID
II.3.4. Découplage des axes pendant la régulation des courants
II.3.5. Stratégies de la commande vectorielle
II.3.6. Résultats de la simulation
II.3.6.1. Essai à vide
II.3.6.2. Essai en charge
II.3.6.3. Essai lors de l’inversion du sens de rotation
II.4. OBSERVATEURS D’ETATS
II.4.1. Applications des observateurs
II.4.1.1. Observateurs utilisés dans les systèmes linéaires
II.4.1.2. Observateurs utilisés dans les systèmes non-linéaires
II.4.2. Observateur basé sur le filtre de KALMAN étendu
II.4.3. Observateurs à modes glissants
II.4.4. Conception de l’observateur à modes glissants
II.5. ESTIMATION DES PARAMETRES DU MSAP ENTRAINANT UNE CHARGE A INERTIE VARIABLE VIA L’OBSERVATEUR DELUENBERGER
II.5.1. Schéma de la commande vectorielle associe à son observateur
II.5.2. Résultats de la simulation
II.5.2.1. Essai à vide
II.5.2.2. Essai en charge
II.5.2.3. Essai lors de l’inversion du sens de rotation
II.6. CONCLUSION
Chapitre III : Commande non Linéaire du MSAP Entrainant une Charge Mécanique à deux Masses
III.1. INTRODUCTION
III.1.1. Représentation dans l’espace d’état
III.1.2. Le formalisme d’état pour un système linéaire analogique
III.1.3. Principe de la technique de linéarisation aux sens des entrées-sorties
III.1.4. Système mono-entrée / mono-sortie
III.1.5. Notion de degré relatif
III.1.6. Crochet de lie
III.2. TECHNIQUE DE LINEARISATION AU SENS DES ENTREE-SORTIES
III.2.1. Mise sous forme canonique
III.2.2. Conception du nouveau vecteur de commande
APPLICATION
III.3. APPLICATION DE LA COMMANDE NON LINEAIRE AU MOTEUR SYNCHRONE A AIMANTS PERMANENTS ENTRAINANT UNE CHARGE MECANIQUE A DEUX MASSES
III.3.1. Modélisation du MSAP et sa charge mécanique à deux masses
III.3.2. Modèle mathématique de la charge mécanique
III.4. MODELE NON LINEAIRE EN COURANT DU MSAP
III.4.1. Le degré relatif
III.4.2. La matrice de découplage
III.4.3. Structure de la commande non linéaire
III.4.4. Résultats et discussions
III.4.4.1. Essai à vide
III.4.4.2. Essai en charge
III.4.4.3. Essai lors de l’inversion du sens de rotation en régime chargé
III.5. CONCLUSION
Conclusion Générale
