Soutenance mémoire
Le domaine de la commande des machines à courant alternatif est toujours en évolution, cela est dû aux exigences des cahiers de charge des opérations industrielles. La machine asynchrone, en raison de son faible coût et de sa robustesse, constitue actuellement la machine la plus utilisée pour réaliser des variations de vitesse. De part sa structure, la machine asynchrone possède un défaut important relativement à la machine à courant continu. En effet, l’alimentation par une seule armature fait que le même courant crée le flux et le couple et ainsi les variations du couple provoquent des variations du flux ce qui rend le modèle de la commande plus complexe. De nombreuses études ont été faites pour mettre au point des commandes performantes de la machine asynchrone à cage.
L’évolution conjointe de l’électronique de puissance et de l’électronique numérique a contribué à l’élaboration des algorithmes de commande plus avancés améliorant les performances statiques et dynamiques de cette machine et assurant ainsi un découplage du flux et du couple. L’objectif de ce mémoire est de donner un éclairage des différentes techniques de commande classiques en général, et en particulier la commande directe du couple d’une machine asynchrone. La commande scalaire qui est bien adaptée à certains types de variateurs, elle ne permet pas de contrôler la machine en régime transitoire et en faible vitesse, elle ne convient plus pour réaliser un positionnement de la machine asynchrone. La commande vectorielle par orientation du flux rotorique a été développée pour supprimer le couplage interne de la machine. Cependant, bien qu’elle donne des performances élevées à la machine asynchrone, le contrôle vectoriel par orientation du flux rotorique présente un certain nombre d’inconvénient :
• Faible robustesse vis-à-vis les variations des paramètres rotoriques
• Présence de transformations de coordonnées dépendent d’un angle estimé
• Utilisation d’un capteur mécanique (fragile et coûteux). Quand on n’utilise pas ce capteur (variateur sans capteur de vitesse), les performances de la machine sont dégradées .
La commande directe du couple (DTC : direct torque control) vient pour pallier les inconvénients inhérents de la commande vectorielle.
Modélisation de la machine Asynchrone
Vouloir commander les moteurs électriques suppose non seulement une bonne connaissance de leurs caractéristiques, mais aussi une étude approfondie de la théorie expliquant leur fonctionnement, [04]. Par ailleurs, pour étudier une machine électrique, le but de l’électrotechnicien est d’élaborer un modèle aussi fin que possible qui puisse rendre compte de la réalité. On sait bien que le dimensionnement d’une motorisation se fait en prenant compte des régimes transitoires (mise en vitesse) qui sont plus contraignants que les régimes établis. Il importe donc que les modèles soient utilisables aussi bien en régime statique que dynamique, [05].
La machine asynchrone comporte trois bobinages au stator alimentés par un système de courants triphasés et trois bobinages au rotor court-circuités sur eux-mêmes traversés par un système de courants triphasé. Les axes de chaque système de bobinage sont décalés de 120 degrés. θr est l’angle (ou mécanique) électrique entre l’axe de la phase (A) statorique et la phase( a) rotorique.
PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D’UNE MACHINE ASYNCHRONE
Le champ tournant statorique induit un système de f.é.m au rotor où les enroulements sont en court-circuit. Les courants induits au rotor créent une force magnétomotrice er qui interagit avec la force magnétomotrice es provenant des courants du stator. C’est ainsi que le couple électromagnétique existe à condition que :
♦ Le glissement g soit non nul, pour que les grandeurs induites au rotor soient non nulles.
♦ Les conducteurs du rotor soient fermés.
De fait, il existe de nombreuses relations exprimant le couple électromagnétique cem d’une machine asynchrone.
EQUATIONS ELECTRIQUES ET MAGNETIQUES
HYPOTHESES SIMPLIFICATRICES
Pour La mise en équations de la machine asynchrone, nous supposons que [07], [11]:
♦ Le bobinage est réparti de manière à donner une f.m.m sinusoïdale s’il est alimenté par des courants sinusoïdaux,
♦ Le circuit magnétique n’est pas saturé,
♦ L’entrefer constant,
♦ Les pertes fer négligeables.
Parmi les significations de ces hypothèses on peut citer:
➤ Les flux sont additifs,
➤ Les inductances propres sont constantes,
➤ Il y a une variation sinusoïdale des inductances mutuelles entre les enroulements statoriques et rotoriques en fonction de l’angle électrique de leurs axes magnétiques.
Convertisseur de fréquence
Le moteur asynchrone est utilisé le plus souvent pour des entraînements à vitesse variable. Les variateurs de ces moteurs sont construits à base de convertisseurs de fréquence. Parmi ces convertisseurs de fréquence l’onduleur autonome qui est un convertisseur statique assurant la conversion continue alternative, alimenté en continu, il modifie de façon périodique les connections entre l’entrée et la sortie, et permet d’obtenir de l’alternatif à la sortie. Un onduleur autonome dépend essentiellement de la nature du générateur et du récepteur entre lesquels il est monté, cela conduit à distinguer :
✓ les onduleurs de tension, alimentés par une source de tension continue,
✓ les onduleurs de courant, alimentés par une source de courant continu.
Nous envisageons dans ce chapitre l’étude des onduleurs de tension ainsi que leurs différents modes de commande à savoir.
✓ Commande à hystérésis,
✓ commande MLI (modulation de largeur d’impulsion).
DESCRIPTION DE LONDULEUR TRIPHASE
Chaque interrupteur est formé d’un semi-conducteur contrôlable (IGBT, GTO,…..etc.) et une diode connectés en anti-parallèle, les six diodes de roue libre assurent la protection des transistors et la récupération de l’énergie vers la source. Pour simplifier l’étude, on supposera que:
✓ la commutation des interrupteurs est instantanée,
✓ la chute de tension aux bornes des interrupteurs est négligeable,
✓ la charge est équilibrée liée en étoile avec neutre isolé.
Etude des différentes techniques de commande de la machine asynchrone
Grâce à son faible coût et sa simplicité de construction, conjugués aux techniques de variation de vitesse, la machine asynchrone s’impose de plus en plus dans les domaines de l’entraînement à vitesse variable. Nous allons présenter dans ce chapitre les techniques de commande permettant de faire varier la vitesse des machines asynchrones à cage. De part sa structure, la machine à cage d’écureuil possède un défaut important par rapport à la machine à courant continu et aux machines de type synchrone. En effet, l’alimentation par une seule armature fait que le même courant crée le flux et le couple. Il est donc logique de dire que toute commande de ce moteur ne peut se faire qu’à travers la variation des paramètres de l’onde tension (alimentation en tension) ou de l’onde courant (alimentation en courant). Ces variateurs peuvent être divisé en deux groupes :
• Variateurs de vitesse à fréquence constante
• Variateurs de vitesse à fréquence variable .
Le contrôle de la vitesse à fréquence statorique constante est obtenu par la variation de l’amplitude de la tension d’alimentation (ou du courant). Les variateurs de vitesse à fréquence variable sont divisés en trois groupes :
• Le contrôle scalaire qui consiste à varier l’amplitude de la tension ou du courant et la fréquence statorique dans un rapport constant.
• Le contrôle vectoriel, plus complexe à réaliser que le précédent, nous donne des performances élevées à la machine asynchrone. Cette technique est basé sur le contrôle soit des deux composantes de la tension (ou du courant) liée à un repère tournant, soit le sur le contrôle de l’amplitude de la tension et l’angle entre le flux statorique et le flux rotorique.
• Le contrôle direct du couple et du flux (DTC) qui sera présenté dans le chapitre qui suit.
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Table des matières
Introduction général
Chapitre I Modélisation de la machine asynchrone
I.Introduction
I.1 Présentation d’une machine asynchrone
I.2 Principe de fonctionnement d’une machine asynchrone
I.3 Equations électriques et magnétiques
I.3.1 Hypothèses simplificatrices
I.3.2 Equations des tensions
I.3.3 Equations des flux
I.4 Schéma équivalent d’une phase de la machine asynchrone en régime permanent
I.4.1 Modèle à inductances couplées
I.4.2 Modèle à inductances réparties
I.4.3 Modèle à fuites totalisées au rotor
I.4.4 Modèle à fuites totalisées au stator
I.4.5 Equation du couple électromagnétique
I.5 Transformation triphasé-biphasé
I.5.1 Transformation de Clarke
I.5.2 Transformation de Concordia
I.5.3 Transformation de Park
I.5.3.1 Principe de la transformation de Park
I.5.3.2 Matrice de passage
I.5.3.3 Transformation de Park appliquée à la machine asynchrone
I.5.3.3.1 Equations électriques
I.5.3.3.2 Equations magnétiques
I.5.3.3.3 Expression du couple électromagnétique
I.5.3.3.4 Equation de mouvement
I.6 Modèle de la machine asynchrone alimentée en tension
I.7 Résultats de simulation pour une alimentation directe
I.8 Conclusion
Chapitre II Convertisseur de fréquence
II.1 Introduction
II.2 Description de l’onduleur triphasé
II.3 Commande par hystérésis
II.3.1 Principe
II.3.2 Résultats de simulation
II.4 Commande par modulation de largeur d’impulsion (MLI)
II.4.1 modulation de largeur d’impulsion sinus triangle
II.4.1.1 Principe
II.4.1.2 Résultats de simulation
II.4.2 Modulation vectorielle
II.4.2.1 Principe
II.4.2.2 Calcul des temps de commutation
II.4.2.3 Résultats de simulation
II.5 Conclusion
Chapitre III Etude des différentes techniques de commande de la machine asynchrone
III.1 Introduction
III.2 Variation de la tension statorique
III.3 Commande scalaire des machines asynchrones
III.3.1 Commande scalaire en tension
III.3.2 Principe
III.3.3 Résultats de simulation
III.3.2 Commande en courant
III.3.2.1 Principe
III.3.2.2 Résultats de simulation
III.4 Commande vectorielle
III.4.1 Commande vectorielle en tension
III.4.1.1 Principe
III.4.1.2 Résultats de simulation
III.4.2 Commande vectorielle en courant
III.4.2.1 Principe
III.4.2.2 Résultats de simulation
III.5 Conclusion
Conclusion général
