Configurations de machines multi-phases

Configurations de machines multi-phases

REVUE DE LA LITTÉRATURE

Le sujet des machines polyphasées est traité sous plusieurs aspects dans maints articles scientifiques depuis les dernières dizaines d’années. Certains auteurs vont s’attarder davantage sur l’aspect modélisation afin d’obtenir un modèle extrêmement précis qui s’approche grandement de la réalité. Pour y parvenir, des auteurs vont utiliser la modélisation par éléments finis. D’autres auteurs vont se contraindre à un modèle plus simple, mais plus pratique à implémenter afin d’utiliser celui-ci pour des simulations d’applications industrielles, telles que les entraînements électriques ou bien des systèmes de génération électrique. Levi (2008) présente une synthèse complète des travaux pertinents qui ont été effectués dans le domaine des machines multi-phases. Pour la modélisation de machines polyphasées à distribution sinusoïdale du flux, une quantité abondante de modèles est disponible. Bien qu’ils effectuent pour la plupart une transformation de référentiel, ceux-ci peuvent utiliser deux approches différentes. La première est de représenter la machine polyphasée par un groupe de machines biphasées dites <>, tel que démontré par Levi et al. (2004), Semail et al. (2005), Baudart et al. (2009) et Vizireanu et al. (2007). Puis, Vizireanu et al. (2007) et Levi (2008) effectuent un bon résumé des possibilités et des avantages des différentes configurations possibles des enroulements selon le nombre de phases. Une de ces configurations permet une autre approche de modélisation qui est celle employée pour ce projet et qui se base sur le principe de disposition <>. Elle permet de représenter une machine polyphasée ayant un nombre de phases qui est un multiple de trois, par plusieurs machines triphasées. Dans le cas de la modélisation de la machine six phases, ou communément appelée <>, deux principaux articles sont utilisés dans le cadre de ce projet. Pour ce projet, l’article de Schiferl et Ong (1983) est celui qui a permis d’obtenir les équations, le circuit équivalent ainsi que les paramètres de la machine. Hegner et al. (1996) viennent appuyer ce dernier article en présentant une configuration équivalente du circuit électrique de ce type de 4 machine. Puis, Mozaffari (1993) effectue dans sa thèse une description très détaillée des équations de la machine. Également, la modélisation est une expansion de ce qui est rédigé par Krause, Wasynczuk et Sudhoff (2002) et Champagne (1997) pour la machine synchrone triphasée à rotor bobiné. Dans le cas du fonctionnement moteur, Levi (2008) présente un excellent résumé des travaux effectués jusqu’à présent. L’auteur offre une description des différents types de topologies de commande pour les machines polyphasées pour l’utilisation d’un onduleur à source de tension. Il présente également des principes généraux de stratégie de commande en mode dégradé. D’ailleurs, ce type de fonctionnement est démontré par Doyon et Dessaint (2011) dans le cas d’une simulation Matlab d’une PMSM cinq phases où l’algorithme de contrôle est basé sur Toliyat (1996). Dans le cas spécifique de la machine synchrone six phases, ce type de fonctionnement est plus approfondi par Shamsi-Nejad et al. (2008). Aussi, une comparaison du type d’onduleur (source de courant ou source de tension) est réalisée par Terrien et Benkhoris (1999). Bose (2006) présente une utilisation typique de ce type de machine utilisant un onduleur de courant. Essentiellement, pour l’application motrice de ce projet, la théorie ainsi que le modèle sont basés sur ce qui est réalisé par Blanchette et Dessaint (2011). Ces auteurs offrent comme modèle de simulation Matlab un entraînement électrique autocontrôlé d’une machine synchrone triphasée à rotor bobiné à pôles saillants. La configuration de l’entraînement a permis d’effectuer une adaptation de celui-ci pour une machine à six phases. Comme application génératrice de la machine six phases, une qui est très répandue est celle dans le domaine automobile, où des alternateurs de haute performance sont parfois utilisés pour obtenir une plus grande tension de sortie du bus CC. Ivankovic, Cros et Viarouge (2009) présentent une comparaison des résultats de tests expérimentaux effectués sur un alternateur Lundell selon différentes configurations des enroulements. L’une d’entre elles est une disposition des enroulements selon le principe de double-étoile. Également, Vizireanu et al. (2007) illustrent un travail de recherche d’investigation de différents types de structures multi-étoiles pour une éolienne de grande puissance. Puis, Gagnon et Brochu (2011) amènent 5 un modèle de simulation Matlab d’un groupe éolien utilisant des machines synchrones triphasées à rotor bobiné à pôles saillants. Ce système très complet sert de référence principale de ce projet comme application génératrice, puisque suite à quelques modifications, l’utilisation d’une machine six phases plutôt que triphasée peut être faite. Le prochain chapitre traite de l’aspect de modélisation des machines polyphasées pour ensuite analyser en profondeur le modèle de la machine synchrone six phases à rotor bobiné.

MODÉLISATION DE LA MACHINE

La modélisation d’une machine multi-phases ayant une distribution sinusoïdale de son flux est faite généralement par le changement de référentiel dans l’axe du rotor. Cette méthode appelée Transformation de Park (Krause, Wasynczuk et Sudhoff, 2002) qui est déjà utilisée pour les machines triphasées est adaptée selon le nombre de phases de la machine. Puisque bien des régulateurs de vitesse/couple de machines utilisent ce référentiel dans leur algorithme de commande, conserver ce référentiel dans le cas des machines multi-phases permet d’adapter de façon relativement aisée le régulateur (passation de trois phases à n phases). Dans ce chapitre, des hypothèses sont posées avant d’entrer dans le vif du sujet de la modélisation. Par la suite, différentes méthodes générales de modélisation connues pour les machines polyphasées sont présentées selon la configuration des enroulements du stator. Subséquemment, une description complète de la machine synchrone six phases (nommée double-étoile) est faite pour sa partie électrique et sa partie mécanique. 2.2 Hypothèses Tout d’abord, il est important de poser certaines hypothèses afin de clarifier des limites de ce projet en termes de modélisation. Ces suppositions sont faites, pour la plupart, dans le but de simplifier la machine à un modèle fonctionnel et facile à utiliser afin de s’attarder autant au modèle qu’à ses applications simulées. Les hypothèses suivantes sur la machine synchrone six phases sont posées : 1. La distribution des enroulements abc et xyz est uniforme, sinusoïdale. Les enroulements possèdent le même nombre de tours. 8 2. La saturation magnétique est négligée. 3. Chaque système (deux) triphasé de la machine est branché en étoile, à neutres flottants et inaccessibles, non interconnectés entre eux. 4. La machine possède un rotor à pôles saillants. Enfin, ce travail traitant de la machine synchrone à rotor bobiné à pôles saillants, l’hypothèse est faite que le lecteur possède déjà des connaissances de base sur ce type de machine. 2.3 Configurations de machines multi-phases Tout d’abord, il est important de mentionner que la configuration des enroulements dépend essentiellement du nombre de phases de la machine tel que stipulé dans Levi (2008) et Vizireanu et al. (2007). Ayant une machine à n phases, il est possible de répartir les enroulements du stator symétriquement ou non. Si le nombre de phases est un nombre premier impair, l’angle de déplacement entre chaque phase du stator doit rester symétrique afin de conserver une distribution de flux uniforme. Ceci représente un angle de α π = 2 n .

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
CHAPITRE 2 MODÉLISATION DE LA MACHINE
2.1 Introduction
2.2 Hypothèses
2.3 Configurations de machines multi-phases
2.3.1 Cas nombre de phases premier impair
2.3.2 Cas machine multi-étoiles
2.4 La machine synchrone double-étoile
2.4.1 Partie électrique
2.4.1.1 Identification de Llm et Lldq
2.4.2 Partie mécanique
2.5 Conclusion
CHAPITRE 3 SIMULATION ET VALIDATION DU MODÈLE
3.1 Introduction
3.2 Simulation du modèle
3.2.1 Modèle électrique
3.2.1.1 Entrées
3.2.1.2 Sorties
3.2.2 Modèle mécanique
3.2.2.1 Entrées
3.2.2.2 Sorties
3.2.3 Bloc de mesures
3.2.4 Paramètres de la machine
3.3 Validation par article
3.4 Conclusion
CHAPITRE 4 APPLICATION MOTRICE : ENTRAÎNEMENT ÉLECTRIQUE DE
LA MACHINE
4.1 Introduction
4.2 Description de l’entraînement
4.2.1 Bloc du redresseur triphasé actif
4.2.2 Bloc du contrôleur de vitesse
4.2.3 Bloc du contrôleur vectoriel
4.3 Entraînement à valeur détaillée
4.3.1 Simulation #1 : régulation de couple
4.3.2 Simulation #2 : régulation de vitesse
4.3.3 Simulation #3 : régulation de vitesse selon ξ = 60°
4.3.3.1 Comparaison du contenu harmonique de source : ξ = 30°
versus ξ = 60°
4.3.4 Simulation #4 : régulation de vitesse en mode dégradé
4.4 Entraînement à valeur moyenne
4.4.1 Simulation #1 : régulation de vitesse
4.4.1.1 Comparaison des résultats entraînement détaillé versus moyen
4.4.1.2 Comparaison du contenu harmonique de source : modèle
détaillé versus moyen
4.5 Conclusion
CHAPITRE 5 APPLICATION GÉNÉRATRICE : ÉOLIENNE DE TYPE 4
5.1 Introduction
5.2 Description de l’application
5.2.1 Bloc de mesures
5.2.2 Bloc du contrôleur de l’onduleur
5.2.3 Bloc du régulateur de vitesse & d’angle des pales
5.2.4 Bloc du contrôleur de flux
5.3 Modèle d’éolienne à valeur détaillé
5.3.1 Simulation #1 : baisse de tension du réseau
5.3.2 Simulation #2 : génératrice ayant ξ = 60 degrés
5.3.2.1 Comparaison de Icc et Te : ξ = 30° versus ξ = 60°
5.3.2.2 Comparaison du contenu harmonique de source : ξ = 30° versus ξ = 60°
5.3.3 Simulation #3 : opération en mode dégradé
5.4 Modèle d’éolienne à valeur moyenne
5.4.1 Simulation #1 : baisse de tension du réseau
5.4.1.1 Comparaison du contenu harmonique de source : modèle
détaillé versus moyen
5.5 Conclusion
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I MODÈLE ÉLECTRIQUE DE LA MACHINE SYNCHRONE SIX
PHASES
ANNEXE II MODÈLES MÉCANIQUES DE LA MACHINE SYNCRHONE SIX
PHASES
ANNEXE III MESURES DE LA MACHINE SYNCHRONE SIX PHASES
ANNEXE IV PARAMÈTRES DE LA MACHINE
ANNEXE V MODÈLE DE SIMULATION UTILISÉ POUR LA VALIDATION

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