Commande et Observation de la Machine Asynchrone

Commande et Observation de la Machine Asynchrone

La commande des machines électriques est un domaine de travail très dépendant du contexte et de l’environnement dans lequel les machines électriques sont employées. En effet, c’est l’utilisation de la machine qui détermine les lois de commande nécessaires à la tâche considérée. Celles-ci sont fortement liées à la nature de la charge, aux grandeurs que l’on veut contrôler, aux régimes de fonctionnement recherchés et donc, par voie de conséquence, aux modèles adoptés. La machine asynchrone, de par sa construction, est la machine la plus robuste et la moins chère de marché. Cependant, sa nature non linéaire rend sa commande et sa surveillance compliquée et exige des algorithmes de contrôle et d’observation de plus en plus complexes. Les énormes avancées technologiques durant les trente dernières années dans le domaine des semi–conducteurs ainsi que dans celui des microprocesseurs ont permis de satisfaire les conditions requises pour développer une commande appropriée du moteur asynchrone. Ces avancées technologiques ont permis d’une part la réduction du coût, l’amélioration des dispositifs de commutation dans l’électronique de puissance et d’autre part l’implémentation des stratégies de commande numérique et de méthodes d’observations dont les algorithmes sont complexes. D’innombrables travaux ont été réalisés pour mettre au point des commandes performantes de la machine asynchrone .

➤ Stratégies de commande pour la machine asynchrone : plusieurs stratégies de commande seront présentées à savoir : le contrôle scalaire, la commande vectorielle, la commande directe du couple (DTC), la commande par platitude, et enfin une commande de linéarisation entrée-sortie par bouclage en utilisant les outils mathématiques de la géométrie différentielle. Le choix de ces lois de commande est motivé par le fait qu’elles font intervenir les concepts de linéarité et de non-linéarité et elles sont des méthodes validées industriellement, d’où l’intérêt de les aborder. La loi de commande par orientation de flux est simulée numériquement pour comparer ses performances avec celle de la linéarisation entrée-sortie.

➤ Synthèse des observateurs pour la commande sans capteur de la machine asynchrone. Les observateurs sont des capteurs logiciels ayant pour but, la reconstruction des états non mesurables indispensables pour la supervision, la commande ou le diagnostic des systèmes. Dans ce travail, on s’intéresse à un observateur d’état non linéaire pour la commande sans capteur, et pour le diagnostic de la machine asynchrone. Dans un premier temps, on donne un état de l’art sur les différents types d’observateurs, puis nous présentons une synthèse d’un observateur non linéaire pour la machine asynchrone en se basant sur le critère du cercle.

Stratégies de commande pour la machine asynchrone

Contrôle scalaire

Cette méthode est la plus ancienne commande, développée pour le réglage de la vitesse des machines asynchrone, La structure de cette technique est très simple. Son principe est basé sur la modélisation en régime permanent de la machine asynchrone. En cherchant à maximiser les capacités du couple, le flux doit être maintenu, dans une large plage, égal à sa valeur nominale correspondant au maintien du rapport tension/fréquence (V/f) constant. De part son fondement, cette technique est sensible en régime transitoire aux variations paramétriques à savoir la résistance statorique [1], [17], [33]. Deux types de contrôle scalaire sont considérés dans la littérature :

➤ Contrôle scalaire direct : Ce type contrôle consiste à réguler le flux. Cela nécessite sa mesure ou son estimation. Cette méthode est plus compliquée à mettre en œuvre, en raison du coût des capteurs et de la qualité des signaux obtenus. On procède plutôt à une estimation ou une observation d’état.
➤ Contrôle scalaire indirect : Il consiste à imposer indirectement le flux magnétique en imposant le rapport amplitude/fréquence de la tension ou de courant. La première méthode est plus difficile à mettre en pratique sans moyen de calcul puissant, c’est la deuxième approche qui est la plus utilisée pour des considérations de stabilité [1], [33]. Ainsi, ce type de contrôle correspond à des applications n’exigeant que des performances statiques et dynamiques moyennes. Il faut alors faire appel à des techniques plus adaptées telle que la commande vectorielle.

Commande vectorielle 

La commande vectorielle est une technique de contrôle classique pour l’entraînement des machines asynchrones . La théorie de cette commande a été proposée par Blaschke en 1972 [31], elle est aussi connue sous le nom de commande par orientation de flux (FOC). Ce type de contrôle rend le comportement de la machine asynchrone comparable à celui de la machine à courant continu à excitation séparée [2], c’est-à-dire, séparé le réglage du flux rotorique et du couple électromagnétique de la machine asynchrone. Contrairement à la méthode précédente, celle-ci est basée sur le modèle dynamique de la machine. Son principe de base consiste en la transformation des variables électriques de la machine vers un référentiel qui tourne avec le vecteur du flux. Ce qui permet de contrôler le flux de la machine avec la composante isd  du courant statorique qui est l’équivalent du courant inducteur de la machine à courant continu. Tandis que, la composante  isq permet de contrôler le couple électromagnétique correspondant au courant induit de la machine à courant continu . Il existe, essentiellement, deux méthodes de commande à flux orienté. La commande vectorielle directe et indirecte. Ces deux méthodes sont aussi classées selon le mode d’alimentation, en tension ou en courant [1].

A l’inverse de la commande vectorielle directe, en commande vectorielle indirecte (I.F.O.C) le flux magnétique n’est ni mesuré ni reconstruit. Il est fixe, on utilise directement l’amplitude de référence du flux φr [1]. L’intérêt de ce type de contrôle réside dans l’absence de capteur de flux et d’estimateur / observateur, cependant il est important de souligner que ce principe de contrôle est simple à réaliser mais exige la connaissance de la position du flux, qui est calculée indirectement par intégration de la pulsation statorique. Cette dernière est reconstituée à l’aide de la pulsation de glissement et de la pulsation rotorique. Le module du flux rotorique par contre est calculé en fonction de la vitesse du rotor en utilisant une méthode de défluxage.

Bien que cette méthode de contrôle soit, a priori attractive, elle possède un inconvénient majeur. Le contrôle de la machine et de sa commande vectorielle est fortement dégradé à cause des variations paramétriques notamment la résistance rotorique. Ces paramètres dépendent largement des conditions de fonctionnement (saturation, échauffement, fréquence,..). D’où la nécessité d’une adaptation paramétrique pour garder un niveau de découplage et de performance convenable [5]. Dans le cadre de notre travail, Nous allons nous limiter à étudier la version indirecte de la commande vectorielle. Cette version, basée sur les équations de la machine dans le référentiel tournant, présente l’avantage de ne pas nécessiter la mesure ou la reconstitution du flux mais exige la présence d’un capteur de vitesse ou de position du rotor.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : Modélisation de la machine asynchrone
1.1 Introduction
1.2 Présentation de la machine asynchrone
1.3 Modélisation de la machine asynchrone
1.4 Modélisation de la machine asynchrone dans le repère biphasé de PARK
1.5 Modélisation non linéaire pour la commande de la machine asynchrone
1.5.1 Modèles de commande linéairésable par retour d’état
1.5.2 Modèle de commande utilisant l’équation de Riccati
1.6 Modèle non linéaire pour l’observation de l’état de la machine asynchrone
1.6.1 Modèle non linéaire pour l’observation à grand gain
1.6.2 Modèle non linéaire pour l’observation selon le critère de cercle
1.7 Modélisation de l’alimentation avec onduleur à MLI
1.7.1 Principe de l’onduleur de tension à deux niveaux
1.7.2 Modélisation de l’onduleur de tension triphasé
1.7.3 Principe de la modulation de largeur d’impulsion
1.8 Problèmes de commande et de surveillance
1.9 Conclusion
Chapitre 2 : Commande et Observation de la Machine Asynchrone
2.1 Introduction
2.2 Stratégies de commande pour la machine asynchrone
2.2.1 Contrôle scalaire
2.2.2 Commande vectorielle
2.2.3 Commande directe de couple
2.3 Commande non linéaire
2.3.1 Commande par linéarisation entrées -sorties
2.3.2 Commande par platitude
2.4 Commande par observateur
2.4.1 Observateurs pour les systèmes linéaires
2.4.2 Observateurs pour les systèmes non linéaires
2.5 Synthèse d’observateur non linéaire pour de la machine Asynchrone
2.5.1 Synthèse de l’observateur à Grand gain
2.5.2 Synthèse de l’observateur non linéaire basé sur le critère de cercle
Chapitre 3: Surveillance de la machine Asynchrone
3.1 Introduction
3.2 Surveillance des machines électriques
3.2.1 Méthodes externes de diagnostic
3.2.1.1 Analyse vibratoire
3.2.1.2 Décharges partielles
3.2.1.3 Réseaux de neurones et reconnaissance des formes
3.2.1 .4 Analyse spectrale et vecteur de Park
3.2.2 Méthodes internes de diagnostic
3.2.2.1 Approches par estimation paramétrique
3.2.2.2 Approche de l’espace de parité
3.2.2.3 Approche à base d’observateurs
Chapitre 4: Simulation numérique
4.1 Introduction
4.2 Simulation de l’alimentation directe de la machine asynchrone
4.2.1 Simulation du Modèle de la machine asynchrone pour la Commande IFOC
4.2.2 Simulation du Modèle de la machine asynchrone utilisé dans la commande non linéaire
4.3 Simulation de l’onduleur à MLI
4.4 Simulation de l’association onduleur machine asynchrone
4.5 Application de la Commande vectorielle indirecte
4.6 Application de la commande par linéarisation entrée-sortie sur la machine asynchrone
4.7 Simulation de la commande non linéaire avec observateur
4.8 Simulation de la surveillance de la machine asynchrone
4.9 Conclusion
Conclusion

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