Commande Vectorielle sans Capteur Mécanique de la Machine Asynchrone Triphasée

Commande sans capteur de vitesse des machines à courant alternatif

  Grâce à l’apport de nouveaux développements technologiques dans le domaine de l’électronique numérique, de l’électronique de puissance et les stratégies de contrôle, il est possible de mettre en place de nouveaux contrôleurs plus robustes et plus fiables pour être intégrés dans des applications de haute performance. Parmi les applications les plus attractives pour les entraînements à vitesse variable on cite le transport, la robotique, la traction électrique,la production de l’énergie éolienne et hydrolienne, etc. Prenant le cas de la machine asynchrone, sa commande nécessite des informations sur l’évolution de son état par la mesure des courants, des tensions statoriques et de la vitesse de rotation. Les autres grandeurs nécessitent des capteurs (électriques ou mécaniques) qui ne sont pas toujours disponibles en raison de leurs coûts élevés et de leur sensibilité au bruit et aux effets thermiques. En outre, la vitesse du rotor est exprimée en fonction du courant statorique et du flux rotorique alors que la mesure de ce dernier n’est pas toujours accessible notamment pour la nouvelle génération des machines électriques intégrées avec leurs convertisseurs. Elle nécessite d’utiliser des capteurs coûteux et physiquement compliqués à installer à l’intérieur de la machine. Ces contraintes limitent l’utilisation de capteurs voire impossible de les intégrer dans certaines applications. Bloc de commande convertisseur Consignes Machine asynchrone Capteurs de courant Capteurs de vitesse Figure 1.1 : Structure de contrôle d’une machine asynchrone avec capteur.Pour surmonter ces contraintes, la théorie d’observation fournit une solution attractive pour reconstruire l’état non mesurable ou remplacer certains capteurs dans la machine en utilisant ce qu’on appelle ‘‘observateur’’. Cette théorie permet la détermination d’un modèle d’estimation d’état en utilisant les grandeurs mesurables du système pour construire le capteur logiciel, elle a été utilisée pour la première fois en 1975 [Abbo-1975]. Plusieurs techniques ont été ensuite développées dans le but de l’implantation des lois de commande modernes sans capteurs.

Défaut de type court-circuit

   Le défaut de type court-circuit d’un interrupteur apparaît quand l’un des deux interrupteurs reste continuellement à l’état passant. Le court-circuit se produit lorsque le deuxième interrupteur est à son tour commandé à la fermeture. Ce défaut se produit en raison d’une défaillance de la commande des transistors (défaillance du driver, défaillance de la carte decommande, problème de connectique entre la carte de commande et le driver) ou suite à une défaillance physique de la puce du silicium qui résulte d’un dépassement de la température et c’est le mode de défaillance le plus probable et le plus courant [Vall 2003]. Les défauts de court-circuit des interrupteurs de puissance sont difficiles à manipuler en raison de la soumission du composant endommagé à un fort courant, à une tension élevée et à des températures locales excessives. Dans l’absence d’un mode de protection, ce défaut peut se propager et endommager l’autre interrupteur du même bras dans un temps très court de l’ordre de quelques microsecondes [Vall-2003]. La période entre l’initiation du défaut et sa défaillance totale est très courte. Par conséquent, la plupart des méthodes de diagnostic des défauts de type court-circuit sont basées sur des circuits matériels pour le contrôle de la tension émetteur collecteur du transistor ou pour le suivi du courant de la cellule

Approche signal

• Méthodes basées sur les courants Les premiers travaux développés en utilisant les courants ou leurs dérivés ont été proposés par Mendes dans les années 90 [Mend-1999], la méthode utilisée est basée sur la technique connue par : « Park’s vector method « . La détection et la localisation des défauts d’ouverture des transistors défectueux sont réalisées en calculant la trajectoire et l’amplitude des courants de phase dans le référentiel lié au stator ou lié au champ tournant. Cette technique présente uninconvénient majeur puisqu’elle dépend de la charge. Afin de diminuer la dépendance de la charge et la sensibilité aux transitoires, différentes méthodes ont été proposées en se basant sur la méthode de la composante continue normalisée (Normalised DC Current Method & Modified-Normalised DC Current Method) [Abra-2003], [Roth-2004], [Roth-2005]. La différence entre ces deux méthodes est que la version modifiée utilise une manière réduite pour la localisation du composant défectueux. Une version plus simple ‘‘Simple Direct Current Method’’ a été aussi proposée par les mêmes auteurs en utilisant uniquement les valeurs moyennes des courants de phases de la machine pour la détection du défaut. La technique  » Park’s vector method » a été appliquée avec succès dans [Dial-2005], [Zida2008], [Camp-2013] pour le diagnostic des défauts dans l’onduleur triphasé de tension,cependant ces approches basées sur cette méthode nécessitent une reconnaissance de formes complexe et présente un problème lié à la difficulté de leurs implantations. Plus récemment, une méthode de diagnostic des défauts basée sur les erreurs des courantsde référence (residual values) a été proposée par Estima [Esti-2011], [Esti-2013], elle utilise les trois courants mesurés et leurs signaux de référence correspondant pour former les erreurs. Ensuite, les valeurs moyennes de ces erreurs sont utilisées pour former les variables de diagnostic. Ces variables sont comparées avec des seuils prédéfinis pour détecter les défautssimples et multiples d’ouverture d’IGBTs dans l’onduleur. Une technique de diagnostic basée sur l’analyse de la topologie symétrique de l’onduleur qui peut être décrite par les résidus des fonctions auto-définies  » self-defined function  » a étéproposée dans [Wu-2015]. Bien que cette méthode permette de détecter et localiser 21 type de défauts, elle utilise de nombreuses fonctions qui nécessitent un calcul itératif des valeurs moyennes, ce qui présente des complexités de la mise en œuvre pratique de l’algorithme qui exige plus d’espace mémoire et permettant aussi d’augmenter le temps de traitement. Plusieurs valeurs-seuil définies expérimentalement sont aussi nécessaires pour pouvoir détecter et localiser les composants endommagés.
• Méthodes basées sur les tensions Afin d’améliorer le temps de détection des défauts, différentes approches basées sur les signaux de tensions (tensions des pôles, tensions de phase de la machine, la tension de neutre) ont été également proposées dans [Ribi-2003], [Kari-2008], [An-2011], [Trab-2012]. Unetechnique de diagnostic des défauts du convertisseur de puissance en temps réel basée sur FPGA (Field-Programmable Gate Array) a été développée par Karimi [Kari-2008] pour les topologies des convertisseurs tolérants aux pannes à trois bras. Cette méthode peut détecter l’élément défectueux en moins de 10 μs par l’analyse de l’erreur entre les tensions mesurées et celles estimées. Afin de simplifier le circuit de détection et de minimiser le temps de diagnostic, uneproposition basée sur la mesure des tensions des transistors est obtenue en utilisant des photocoupleurs à grande vitesse [An-2011]. La méthode proposée est réalisée par l’analyse du modèle de fonction de commutation de l’onduleur dans des conditions saines et défectueuses. Les défauts de type circuit ouvert des transistors peuvent être détectés en mesurant la tension collecteur-émetteur de IGBT de l’étage inférieurs de chaque bras. Le système de diagnostic utilise un circuit matériel pour obtenir indirectement les tensions des commutateurs de puissance et pour éliminer la complexité des capteurs. La détection des IGBTs endommagés estobtenue avec un retard d’environ 3 μs. Une autre méthode basée aussi sur les signaux de commutation PWM et le niveau des tensions entre phases a été proposée [Trab-2012]. Le diagnostic des défauts circuit-ouvert des IGBTs est effectué par la détection du changement du niveau zéro de tension, la détection desdéfauts est également réalisée en moins d’une période de commutation (environ 200 μs). Cetteméthode nécessite deux capteurs de tension pour la mesure des tensions entre phase et un circuit analogique pour l’implantation temps réel de l’algorithme de diagnostic.Toutes ces techniques ont permis d’obtenir de bonnes performances en terme de rapidité de détection des défauts, cependant leurs principales faiblesses résident dans la complexité de leur mise en œuvre et le coût élevé du processus de diagnostic qui nécessite soit des capteurs de tension ou des circuits supplémentaires ou les deux à la fois.

Particularités de fonctionnement des structures sans capteur en mode dégradé

  Bien que les capteurs logiciels (observateurs) constituent un atout permettant de résoudre plusieurs problèmes provoqués par la présence d’un capteur mécanique dans l’environnement industriel (des problèmes d’encombrement, de sensibilité aux bruits et aux vibrations mécaniques, de maintenance etc.), la majorité d’entre eux sont également soumis à des difficultés liées à la conception de leurs modèles d’estimation qui est généralement basée sur des hypothèses simplificatrices. Ces observateurs présentent aussi une copie du modèle du système réel qui est constitué dans des conditions de fonctionnement en mode sain (en absence de défaut). En présence d’un défaut, certains types de ces observateurs présentent une erreurd’estimation considérable entre les grandeurs mesurées et celles estimées. Cette erreur est généralement connue par le terme résidu et elle est très utilisée pour la détection et l’identification de l’élément endommagé. Cependant, dans le cas où ces observateurs sontutilisés en boucle fermée avec le bloc de régulation, la présence de cette erreur d’estimation va affecter l’algorithme de commande et entraîner des dégradations significatives dans le système entier. Nous nous limitons maintenant dans notre cas de fonctionnement à un onduleur triphasé alimentant une machine asynchrone contrôlée en mode sensorless (sans capteur mécanique de vitesse). La figure 1.12 présente une comparaison du comportement de la dynamique expérimentale du système dans le cas de fonctionnement avec et sans capteur mécanique de vitesse de la machine et en mode dégradé. Le défaut est appliqué au niveau de l’IGBT T1 du premier bras à l’instant t=12.898s. Sur cette figure nous avons tracé les courants statoriques mesurés de la machine et la vitesse rotorique mesurée et estimée. En mode de fonctionnement sans défaut, les courants mesurés dans les deux essais présententune dynamique similaire, la vitesse mesurée et estimée sont toutes les deux maintenues à leur grandeur de référence. Apres l’application du défaut, le régime dégradé se manifeste par l’annulation de l’alternance positive du courant ia dans les deux cas de fonctionnement alors que des déformations importantes sont enregistrées au niveau des courants statoriques correspondants au cas sans capteur de vitesse. La vitesse estimée présente aussi des ondulations importantes par rapport à celles de la vitesse mesurée. Ceci nous renseigne sur l’instabilité de fonctionnement du système contrôlé en mode sensorless à cause des fortes ondulations de la vitesse estimée qui seront injectées par la suite dans la boucle de régulation et vont créer des erreurs qui s’accumulent dans la boucle d’observation. Ces erreurs contribueront à la dégradation des performances de la commande et à la divergence ou l’arrêt total de la machine si elle continue à fonctionner en présence du défaut.

Table des matières

Résumé
Abstract
Liste des Figures
Liste des Tableaux
Liste des variables et abréviations
Introduction Générale
Chapitre 1 : Etat de l’art sur la Commande Sensorless et le Diagnostic des Défauts d’IGBTs dans un Convertisseur Statique
1. Introduction
2. Commande sans capteur de vitesse des machines à courant alternatif
2.1. Approche sans modèle
2.2. Approche à base de modèle
3. Défauts dans les onduleurs triphasés
2.3. Structure de la chaîne de conversion d’énergie à base d’un onduleur triphasé
2.4. Mode de défaillance des éléments de puissance dans un onduleur
3.2.1. Défaut de type court-circuit
3.2.2. Défaut de type circuit-ouvert
4. Diagnostic de défauts
4.1. Méthodes de diagnostic et classification
4.2. Diagnostic de défauts de type circuit-ouvert des composants de puissance dans un convertisseur statique
4.2.1. Approche signal
4.2.2. Approche modèle
5. Synthèse sur l’état de l’art
5.1. Particularités de fonctionnement des structures sans capteur en mode dégradé
5.2. Limitations des techniques classiques de diagnostic
6. Conclusion
Chapitre 2 : Commande Vectorielle sans Capteur Mécanique de la Machine Asynchrone Triphasée
1. Introduction
2. Modélisation de la machine asynchrone
2.1. Présentation de la machine asynchrone
2.2. Modèle Mathématique de la machine asynchrone
2.2.1. Equations électriques et magnétiques
2.2.2. Couple électromagnétique
2.2.3. Equation mécanique
2.3. Représentation d’état de la machine asynchrone
3. Synthèse de l’observateur par mode glissant
3.1. Principe et synthèse de l’observateur par mode glissant
3.2. Modèle d’observation
3.3. Reconstitution des flux rotoriques
3.3.1. Gains d’observation des courants statoriques
3.3.2. Gains d’observation du flux
3.4. Reconstitution de la vitesse rotorique
3.5. Phénomène de chattering
3.6. Etude de la stabilité
4. Validation expérimentale
4.1. Descriptif de la plate-forme expérimentale
4.2. Résultats expérimentaux pour la commande sans capteur
4.2.1. Fonctionnement à vide et avec inversion du sens de rotation
4.2.2. Fonctionnement en charge
5. Conclusion
Chapitre 3 : Détection et Localisation des Défauts des Composants de Puissance dans une Structure de Commande sans Capteur de Vitesse
1. Introduction
2. Commande avec et sans capteur de vitesse en présence d’un défaut d’ouverture d’IGBT : Etude comparative
3. Analyse de l’impact d’un défaut d’ouverture d’IGBT sur les signaux de diagnostic
4. Mise en place d’une stratégie de diagnostic
3.1. Détection du bras défaillant
3.2. Identification des transistors défaillants
5. Validation expérimentale de l’approche de diagnostic des défauts du convertisseur statique 
4.1. Choix du seuil de détection
4.2. Résultats expérimentaux et discussion
6. Conclusion
Chapitre 4 : Amélioration du Fonctionnement de la Machine Asynchrone Triphasée sans Capteur de Vitesse en Mode Dégradé : Disponibilité Fiabilité
1. Introduction
2. Conception d’un observateur mode glissant d’ordre 2 Observateur Super-Twinsting
2.1. Modélisation de la machine asynchrone
2.2. Algorithme du Super-Twisting
2.1. Estimation du flux rotorique
2.3. Estimation de la vitesse rotorique
2.4. Analyse de la stabilité
3. Résultats expérimentaux et discussion
3.1. Fonctionnement en mode sain
3.2. Fonctionnement en présence de défaut
4. Compensation du défaut
4.1. Application de la FTC à un système contrôlé sans capteur
4.2. Validation expérimentale et discussion
5. Conclusion
Conclusion Générale et Perspectives
Bibliographie

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