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.
Dans le monde industriel, la traction existe sous différents modes (thermique, hybride, électrique), et couvre plusieurs domaines d’application (voiture, bus, train, tramways,…). Ces différentes applications sous le premier et le deuxième mode sont responsables d’une pollution inquiétante et dangereuse pour la santé des personnes. Les alternatives technologiques de la gestion énergétique n’ont pas abouti à résoudre fondamentalement ce problème. De plus, la plupart des algorithmes de contrôle existants souffrent de plusieurs inconvénients : ils sont complexes, souvent difficiles à mettre en œuvre, et parfois peu robustes. Pour que les algorithmes d’optimisation de rendement soient efficaces il faut satisfaire le compromis d’un rendement maximal et une pollution minimale. Il est donc fondamental de développer et de mettre en place des outils de développement et de tests, aussi bien sur le plan algorithmique que réalisation.
Dans le cas de la traction électrique, le moteur asynchrone est considéré dans plusieurs applications comme étant la meilleure solution. Á ce jour, en Europe et en Amérique les trains à grande vitesse (TGV) de nouvelle génération utilisent ce type d’actionneur (Eurostar, l’American Fly, …etc ). Le moteur asynchrone peut intéresser également tout type d’applications utilisant des moteurs électriques (téléphériques, ascenseurs, élévateurs, …).
Le développement des systèmes utilisant les moteurs asynchrones fonctionnant à vitesse variable a été possible grâce d’une part, à la facilité d’implantation de techniques évoluées en temps réel dans des cartes de commande, et d’autre part à la performance des convertisseurs statiques de puissance associés aux systèmes de contrôle. Le degré de perfectionnement atteint par ces dispositifs permet d’augmenter leur part d’applications en remplaçant au fur et à mesure les entraînements à courant continu.
Commande à flux rotorique orienté de la machine asynchrone
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 , 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.
Transformations – référentiels
Transformation de Concordia – référentiel (α,β )
Il s’agit d’une transformation des grandeurs d’un référentiel triphasé (a,b,c) à un référentiel diphasé (α,β ) fixe au stator. Ainsi, aux trois grandeurs triphasées xa xb, xc, est associé le vecteur [X(s)] dans le référentiel ( α,β ) fixe au stator.
Transformation de Park – référentiel (d,q)
Il s’agit d’une transformation des grandeurs alternatives d’un référentiel triphasé (a,b,c) à un référentiel diphasé (d,q) tournant (T) avec le champ statorique. Cette transformation va nous permettre d’avoir des grandeurs continues.
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. L’expression du couple se voit alors simplifiée et n’est plus fonction que du flux et du courant en quadrature. Ainsi, en maintenant le flux à une valeur constante, le couple ne dépend plus que de la composante en quadrature du courant statorique (isq) et peut être contrôlé par celle-ci.
L’implantation effective de la commande vectorielle nécessite la réalisation d’une structure de contrôle des courants. Elle permet à partir de consignes de flux et de couple, donc d’une amplitude et une orientation donnée du courant statorique dans le référentiel tournant(d,q) , d’imposer une amplitude et une orientation correctes du courant dans le référentiel fixe. Cette structure nécessite la connaissance de la position du référentiel(d,q) , en d’autres termes la position du flux rotorique .
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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
ANNEXES
