MODÉLISATION DE LA MACHINE SYNCHRONE À AIMANTS PERMANENTS EN VUE DE LA COMMANDE

MODÉLISATION DE LA MACHINE SYNCHRONE À AIMANTS PERMANENTS EN VUE DE LA COMMANDE

Description de la machine synchrone

La machine à courant alternatif est composée d’une partie mobile, le rotor et d’une partie fixe, le stator. Les deux parties sont constituées de deux principaux éléments. L’un est appelé ferromagnétique et il permet de conduire le flux magnétique et de supporter les efforts, tandis que l’autre est appelé enroulement et est constitué de conducteurs en cuivre ou en aluminium. Ces conducteurs forment un bobinage. Le terme machine synchrone regroupe toutes les machines dont la vitesse de rotation de l’arbre est égale à la vitesse de rotation du champ tournant. Une machine synchrone est un ensemble de bobinages couplés magnétiquement. Le stator est constitué d’un ensemble de trois bobinages à 2p pôles, placés dans des encoches, notés ‘a’, ‘b’, ‘c’, régulièrement
espacés de 2n/3p et respectivement alimentés par des grandeurs triphasées, dont les axes sont décalés de 2n/3p

Modèle du moteur synchrone à aimants permanents dans un repère triphasé

La machine synchrone dont nous allons étudier la mise en équation est constituée de trois circuits. Chaque circuit représente un enroulement. Les enroulements sont déphasés, l’un par rapport à l’autre, de 120 degrés électriques (figure 1.1). L’ensemble de ces enroulements forme ainsi la partie fixe du moteur, appelée aussi stator, elle assure la création du champ tournant statorique. L’inducteur tournant, appelé aussi rotor, est représenté par le matériau en rotation. Dans notre cas, il est muni des aimants permanents. Ces derniers assurent la production du champ tournant rotorique. L’entrefer séparant le stator et le rotor est variable, ce qui correspond à une structure à pôles saillants. Cependant, il est symétrique par rapport à deux axes perpendiculaires, l’axe direct (ou polaire ou longitudinal) Od et l’axe en quadrature (ou interpolaire ou transversal) Oq. L’axe du rotor est solidaire de l’axe d.

Le moteur synchrone à forces électromotrices trapézoïdales

Les forces électromotrices induites dans les enroulements statoriques sont trapézoïdales de durée angulaire 120 degrés en triphasé. Le système de contrôle consiste à injecter des courants en créneaux de 120 degrés de largeur, et ce, en fonction des informations délivrées par un capteur de position rotorique. Ce dernier assure l’autopilotage de la machine. En fait, il y a toujours deux phases alimentées simultanément en série par un courant constant et, tous les 60 degrés, le courant commute d’une phase à l’autre. Ceci permet une meilleure régulation du couple. Le dispositif de contrôle peut être soit intégré au moteur pour les petites puissances, soit placé à l’extérieur. L’ensemble constitué du capteur de position et de l’électronique de commande joue le rôle de l’ensemble collecteur-ballais sur une machine à courant continu.

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Table des matières

RÉSUMÉ
ABSTRAT
REMERCIEMENTS
TABLE DES MATIÈRES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES FIGURES
INTRODUCTION GÉNÉRALE
CHAPITRE 1 MODÉLISATION DE LA MACHINE SYNCHRONE À AIMANTS PERMANENTS EN VUE DE LA COMMANDE
1.1 Introduction
1.2 Description de la machine synchrone
1.2.1 Moteur synchrone à rotor bobiné
1.2.2 Moteur synchrone à aimants permanens
1.3 Modèle du moteur synchrone à aimants permanents dans un repère triphasé
1.3.1 Flux propre du stator
1.3.2 Flux du stator produit par le rotor
1.3.3 Flux total produit au stator
1.3.4 Flux total produit au rotor
1.3.5 Équations électriques
1.3.6 Équation de mouvement
1.4 Modèle diphasé de la machine synchrone à aimants permanents
1.4.1 Transformation triphasée/diphasée
1.4.2 Flux total produit au stator
1.4.3 Équations électriques
1.4.4 Expression du couple électromagnétique
1.5 Modèle de Park de la machine synchrone à aimants permanents
1.5.1 Flux total produit au stator
1.5.2 Équations électriques
1.5.3 Couple électromagnétique
1.6 Transformation directe de Park
1.6.1 Transformation conservant la puissance
1.6.2 Transformation conservant l’amplitude des grandeurs électriques
1.7 Conclusion
CHAPITRE 2 ÉTAT DE L’ART SUR LA COMMANDE DE LA MACHINE SYNCHRONE À AIMANTS PERMANENTS
2.1 Introduction
2.2 Stratégies de commande
2.3 Commande scalaire
2.4 Commande vectorielle
2.4.1 Régulation du courant
2.4.2 Régulation de la vitesse
2.4.3 Structure de la commande
2.5 Commande par linéarisation entrés-sorties
2.5.1 Théorie de la commande linéarisante
2.5.2 Application à la machine synchrone à aimants permanents
2.6 Commande par platitude
2.7 Commande prédictive linéaire en discret (CPLD)
2.7.1 Objectif de la commande prédictive
2.7.2 Position du problème et modèle interne
2.7.3 Extension aux systèmes multivariables
2.7.4 Application à la machine synchrone à aimants permanents
2.8 Conclusion
CHAPITRE 3
COMMANDE PRÉDICTIVE EN STRUCTURE DIRECTE AVEC OBSERVATEUR DE
PERTURBATIONS
3.1 Introduction
3.2 Modèle non linéaire de la machine synchrone à aimants permanents
3.3 Contrôleur prédictif non linéaire à variance minimale (CPNLVM)
3.3.1 Conception de la loi de commande
3.3.2 Dynamique et stabilité du système bouclé
3.3.3 Conception de l’estimateur de perturbation
3.3.4 Stabilité globale
3.3.5 Observateur de perturbation en présence des blocs de saturation
3.4 Contrôleur prédictif non linéaire généralisé (CPNLG)
3.5 Comparaison avec la commande prédictive linéaire en discret (CPLD)
3.6 Résultats expérimentaux
3.6.1 Évaluation de performances du CPNLVM
3.6.2 Évaluation de performances du CPNLG
3.6.3 Comparaison entre le CPNLG et le CPNLVM
3.7 Conclusion
CHAPITRE 4
COMMANDE PRÉDICTIVE EN STRUCTURE CASCADE AVEC OBSERVATEUR DE
PERTURBATIONS
4.1 Introduction
4.2 Structure cascade et la commande prédictive non linéaire
4.3 Modèle perturbé de la machine synchrone à aimants permanents
4.4 Contrôleur prédictif non linéaire généralisé (CPNLG) en structure cascade
4.4.1 Boucle externe : Régulation de la vitesse
4.4.2 Boucle interne : Régulation des courants
4.5 Contrôleur prédictif non linéaire à variance minimale (CPNLVM) en structure cascade
4.5.1 Boucle externe : Régulation de la vitesse
4.5.2 Boucle interne : Régulation des courants
4.6 Comparaison entre le CPNLG en structure cascade et le régulateur classique PI
4.7 Résultats expérimentaux
4.7.1 Évaluation de performances du CPNLG en structure cascade
4.7.2 Évaluation de performances du CPNLVM en structure cascade
4.7.3 Comparaison entre le CPNLG et le CPNLVM en structure cascade
4.8 Conclusion
CHAPITRE 5
COMMANDE PRÉDICTIVE ROBUSTE SANS OBSERVATEUR DE PERTURBATION
5.1 Introduction
5.2 Contrôle prédictif non linéaire robuste
5.2.1 Système non linéaire affine en la commande
5.2.2 Contrôleur prédictif non linéaire à variance minimale robuste (NLVMR)
5.2.3 Contrôleur prédictif non linéaire généralisé robuste (CPNLGR)
5.3 Application directe à la machine synchrone à aimants permanents
5.3.1 Contrôleur prédictif non linéaire à variance minimale robuste en structure directe
5.3.2 Contrôleur prédictif non linéaire généralisé robuste en structure directe
5.4 Application en structure cascade à la machine synchrone à aimants permanents
5.4.1 Contrôleur prédictif non linéaire à variance minimale robuste en structure cascade
5.4.2 Contrôleur prédictif non linéaire généralisé robuste en structure cascade
5.5 Résultats expérimentaux
5.5.1 Évaluation de performances du CPNLVMR en structure directe
5.5.2 Évaluation de performances du CPNLGR en structure directe
5.5.3 Évaluation de performances du CPNLVMR en structure cascade
5.5.4 Évaluation de performances du CPNLGR en structure cascade
5.5.5 Comparaison entre tous les contrôleurs
5.6 Conclusion
CONCLUSIONS & PERSPECTIVES
PUBLICATIONS ISSUES DE CETTE RECHERCHE
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXES