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Etat de l’art et contributions sur la commande de la Machine Synchrone à Aimants Permanents (MSAP)
Dans la littérature, il existe deux types d’alimentation pour la commande de la MSAP : l’alimentation par un commutateur de courant (commande en courant) et l’alimentation par un onduleur de tension (commande en tension). Au début de la thèse, nous nous sommes intéressés à la commande en courant de la MSAP car cette structure, ancienne, est installée chez les clients de l’entreprise GS Maintenance. Afin de répondre au besoin de maintenance de l’entreprise, nous avons proposé et implémenté expérimentalement une commande classique basée sur des régulateurs PI de courant et de vitesse. Au cours de la thèse, l’entreprise GS Maintenance a eu un besoin industriel de développer un convertisseur multicellulaire série (CMS) de tension , ce qui nous a amené à travailler sur la commande en tension de la MSAP. Dans ce cadre, nous avons proposé une commande moderne des courants et de vitesse, basée sur le principe du backstepping. Dans ce qui suit, nous allons rappeler brièvement le principe, l’existant et les contributions apportées dans ce travail de thèse pour ces deux types de commande.
Commande en courant
Dans cette structure, la MSAP est associée à deux convertisseurs statiques à thyristors : le redresseur, associé à une inductance de lissage, permet d’avoir une source de courant. Ce courant va être distribué sur les phases de la machine à l’aide du deuxième convertisseur. Ce dernier est commandé en fonction de la position de la machine. Pour des faibles vitesses de rotation, typiquement inférieures à 10 % de la vitesse de rotation nominale, les forces électromotrices sont trop faibles pour assurer la commutation de l’onduleur [MK16]. Pour remédier à ce problème de démarrage de la machine synchrone autopilotée, nous pouvons citer les deux méthodes qui sont très utilisées dans la littérature :
➤ La commutation forcée par des circuits auxiliaires : cette méthode fait recours à un circuit auxiliaire composé du condensateur et thyristors auxiliaires dimensionnés uniquement pour le démarrage [PT79], [SL79]. Ce circuit permet de désactiver la commutation forcée, dès que la machine peut assurer elle-même la commutation.
➤ L’annulation du courant continu : dans cette stratégie, le courant dans les phases de la machine est annulé pendant un court instant chaque fois que la commutation est nécessaire [Khe94], [Sor01]. Cette annulation de courant est réalisée par l’intermédiaire d’un thyristor de roue libre qui met en court-circuit l’inductance de lissage.
Chaque fois qu’il est souhaitable de commuter le courant dans le moteur, il faut faire fonctionner le redresseur en onduleur et court-circuiter l’inductance de lissage, ce qui a pour effet d’annuler le courant dans les thyristors du commutateur, donc d’assurer l’extinction de ces derniers. Pour rétablir le courant dans les phases du moteur, il faut faire fonctionner le pont côté réseau à nouveau en redresseur. Il est possible ensuite d’amorcer les thyristors adéquats du commutateur et provoquer l’extinction du thyristor de roue libre.
Commande en tension
Dans cette structure, la MSAP est associée à un onduleur de tension qui est composé des interrupteurs de puissance commandés en tension tel que le GTO, le transistor bipolaire, le MOSFET ou l’IGBT dans la majorité des cas. Ce convertisseur permet d’imposer aux enroulements statoriques des tensions d’amplitude et de fréquence variables en fonction de la commande des interrupteurs de puissance. Dans la littérature, deux types d’approches de la commande de la MSAP alimentée en tension ont été proposées : les commandes classiques et les commandes modernes.
Pour les commandes classiques, nous pouvons citer principalement la commande scalaire (ou V/f) qui consiste à maintenir le flux constant en gardant le rapport tension/fréquence constant [KOHY10], [ACMB12]. Nous pouvons également citer la commande vectorielle, appelée commande par orientation du flux, qui permet de ramener le comportement de la MSAP à celui d’une machine à courant continu à excitation séparée. Nous retrouvons aussi la commande directe du couple [TN86] qui permet la commande directe du flux statorique et du couple électromagnétique. Pour les commandes modernes, réputées d’êtres robustes vis à-vis des variations paramétriques et des perturbations, il existe plusieurs types. Parmi elles, nous pouvons citer par exemple la commande par modes glissants qui repose sur l’utilisation d’une commande à commutation haute fréquence [WW11], [DWD14], [HW15], [SJ16], [MNMT17]. Nous pouvons également citer la commande de la MSAP par backstepping [LM11], [BKLT14], [LZ18]. Cette stragégie de commande a été introduite au début des années 90 par [KKM91]. Elle représente un outil efficace pour contrôler les systèmes non linéaires à structure triangulaire d’une façon récursive. Le principe fondamental de cette technique est de rendre les systèmes bouclés équivalents à des sous-systèmes d’ordre un en cascade stables au sens de Lyapunov, ce qui lui confère une stabilité globale asymptotique et une robustesse contre les variations paramétriques et les incertitudes de modélisation. Nous nous sommes intéressés à développer une commande moderne basée sur le principe du backstepping. L’intérêt du choix réside dans le fait que ce type de commande nous permet de prendre en compte la géométrie de rotation de la machine dans la conception de la loi de commande, ce qui lui permet ainsi d’être moins sensible à certains paramètres de la machine.
Etat de l’art et contributions sur la commande et l’observation du Convertisseur Multicellulaire Série (CMS)
Afin de satisfaire ses clients, l’entreprise GS Maintenance a été amenée à réaliser un variateur de vitesse en moyenne tension. Dans ce cadre, le CMS apparaît comme solution industrielle viable car il permet de réduire la tenue en tension de chaque interrupteur à l’état bloqué par rapport au convertisseur classique. De plus, il offre la possibilité d’avoir plusieurs niveaux de tension en sortie, ce qui permet de réduire le dv/dt (variation instantanée de tension) et d’améliorer le contenu harmonique des tensions de machines électriques. Le convertisseur multicellulaire série a été introduit dans les années 1990 par [MF92], il se compose de p cellules mises en série séparées par p-1 sources de tensions. Les sources de tensions sont réalisées par des condensateurs flottants et chaque cellule est composée de deux interrupteurs de puissance complémentaires. Nous allons rappeler (sans être exhaustif), dans ce qui suit, l’existant et les contributions de notre travail sur la commande et l’observation des CMS.
Commande du CMS
Dans le but d’équilibrer les tensions des condensateurs flottants du CMS, il existe en général, dans la littérature, deux techniques de commande : les techniques utilisant la MLI (Modulation à Largeurs d’Impulsions) (ou PWM Pulse Width Modulation) et les techniques basées sur les commandes directes. Les techniques à base de MLI [HZB+15], [BJKP16], [Bou17], [LGS19] sont conçues en utilisant un modèle moyen du convertisseur pour générer des références (tensions, courants). Ces références sont ensuite transformées en rapports cycliques par le biais de la MLI (modulation) pour piloter en tout ou rien les interrupteurs de puissance du convertisseur. Quant aux techniques de commandes directes, telles que par exemple les commandes prédictives [SMQG07], [AQ09], [SLKM11] et les commandes par modes glissants [BBH08], [SSB13], [DBG18], elles génèrent directement les ordres de commande des interrupteurs de puissance en tout ou rien (sans passer par une étape de modulation). La commande prédictive est basée sur l’utilisation d’un modèle pour prédire le futur comportement du système sur un horizon du temps fini. Quand à la technique par mode glissant, elle est développée à partir de la commande à structure variable. Elle repose sur l’utilisation d’une commande à commutation haute fréquence. La loi de commande générée permet de forcer la trajectoire d’état du système à rester dans un sous espace donné, appelé surface de glissement.
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Table des matières
1 Introduction générale
1.1 Introduction et contexte de la thèse
1.2 Etat de l’art et contributions sur la commande de la Machine Synchrone à Aimants Permanents (MSAP)
1.2.1 Commande en courant
1.2.2 Commande en tension
1.3 Etat de l’art et contributions sur la commande et l’observation du Convertisseur Multicellulaire Série (CMS)
1.3.1 Commande du CMS
1.3.2 Observation du CMS
1.4 Organisation de la thèse
1.4.1 Publications
2 Modélisation de la MSAP et du CMS
2.1 Introduction
2.2 Modélisation de la MSAP
2.2.1 Modèle de la MSAP alimentée en courant
2.2.1.1 Redresseur à thyristors
2.2.1.2 Inductance de lissage
2.2.1.3 Onduleur à thyristors
2.2.1.4 Modèle de la machine + convertisseur
2.2.2 Modèle de la MSAP alimentée en tension
2.2.2.1 Modèle de la MSAP
2.2.2.2 Modèle de l’onduleur
2.2.2.3 Modèle de l’ensemble machine + convertisseur
2.3 Modélisation du CMS triphasé
2.3.1 Principe de fonctionnement
2.3.2 Modèle mathématique
2.3.2.1 CMS avec 7 cellules
2.3.2.2 CMS avec un nombre quelconque de cellules
2.4 Conclusion
3 Commande de la machine synchrone à aimants permanents
3.1 Introduction
3.2 Commande en courant de la MSAP
3.2.1 Synoptique de la commande
3.2.2 Détermination des régulateurs
3.2.3 Résultats de simulation
3.2.4 Résultats expérimentaux
3.2.4.1 Banc d’essai
3.2.4.2 Circuit de protection
3.2.4.3 Boucle de courant
3.2.4.4 Boucle de vitesse
3.3 Commande en tension de la MSAP
3.3.1 Synoptique de la commande
3.3.2 Détermination de la commande
3.3.3 Résultats de simulation
3.3.3.1 Cas nominal
3.3.3.2 Tests de robustesse
3.4 Conclusion
4 Commande et observation du convertisseur multicellulaire triphasé série avec un nombre quelconque (p) de cellules
4.1 Introduction
4.2 Commande directe du CMS
4.2.1 Etude de la commandabilité
4.2.1.1 Commandabilité du CMS avec p=7
4.2.1.2 Commandabilité du CMS avec p=3
4.2.2 Principe de la commande
4.2.3 Avantages de la commande
4.2.4 Analyse de stabilité de la commande
4.2.5 Résultats de simulation
4.2.5.1 Cas du CMS avec p=7
4.2.5.2 Comparaison avec la commande MLI
4.3 Observation des tensions ottantes du CMS
4.3.1 Etude de l’observabilité du CMS
4.3.2 Conception de l’observateur adaptatif
4.3.3 Analyse de stabilité de l’observateur
4.3.4 Association de l’observateur à la commande : anaylyse de stabilité
4.3.5 Résultats de simulation : cas du CMS avec p=7
4.4 Résultats expérimentaux : cas du CMS avec p = 3
4.4.1 Description du banc d’essai
4.4.2 Résultats de l’ensemble « observateur+commande »
4.4.2.1 Test nominal
4.4.2.2 Tests de robustesse
4.4.2.3 Comparaison avec 2 lois de commande MLI
4.5 Conclusion
5 Conclusion générale
