65800321 Introduction Generale

Introduction gnraleLes progrs rcemment raliss dans les domaines de l'Electronique de Puissance et de la Commande Numrique ont permis depuis peu l'essor des variateurs de vitesse pour les machines courant alternatif. Aujourd'hui les machines courant alternatif peuvent remplacer les machine courant continu dans la plupart des entranements vitesse variable

Commande V/f=cte d'une machine asynchrone EMSI2011

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Introduction gnraleEn raison de leur bonne fiabilit, faible cot et rendement lev, les moteurs induction sont les moteurs les plus utiliss dans des applications industrielles. Des applications qui s'tendent des appareils mnagers vitesse leve jusqu l'utilisation dans l'industrie du ptrole, l'industrie cimentire, les vhicules lectriques, les systmes de pompage, etc. En effet, le moteur asynchrone est le plus utilis pour assurer la variation de la vitesse des mcanismes industriels car il prsente lavantage dtre robuste, de construction simple et peu coteux. Toutefois sa commande est plus complexe que celle des autres machines. Par ailleurs, Le moteur induction associ un convertisseur utilis dans les procds vitesse variable, est expos, en plus des dfauts produits au niveau de la machine asynchrone (les blocages du rotor, etc.), dautres types de dfauts qui peuvent tre le rsultat des incidents au niveau des moyens quipant le systme de protection, dasservissement et de rgulation, savoir: capteurs, rgulateurs, etc. En plus le systme suscit, est souvent expos aux perturbations gnres par les composants lectroniques des quipements de contrle et de commande. Par consquent, les moteurs induction et leurs systmes de commande ncessitent une supervision continue de leur tat afin de rduire la frquence et la dure des arrts non dsirs. Le convertisseur de frquence (onduleur) permet la variation de la frquence et de lamplitude et mme la forme de la tension applique au moteur lectrique, ce qui permet la variation de sa vitesse de rotation. Cette caractristique assure laugmentation de lefficacit du systme en permettant la variation de la vitesse de rotation dsire par lapplication de la tension convenable (sans recours un systme de freinage auxiliaire). Dans un onduleur, le type de linterrupteur base de semi-conducteurs, pour louverture et la fermeture du circuit, est choisi selon la frquence de commutation dsire, le niveau de puissance dsire par le systme dutilisation et la nature de la source dalimentation et de la charge alimente par londuleur (source de courant ou source de tension). Dans un onduleur triphas, il y a six interrupteurs chacun est connect soit un niveau de potentiel haut (positif) ou un niveau de potentiel bas (ngatif). Cela permet la tension de phase et aussi au courant de phase, la sortie de londuleur, de comporter une alternance positive et une autre ngative. Bien que londuleur permet damliorer lefficacit du systme, son utilisation augmente la possibilit de dfaillance du systme naissant de la dfaillance de lun de ses composants. La Dfaillance signifie la cessation de laptitude dun systme (ou composant) accomplir sa ou ses fonctions requises Les dfauts les plus frquents sont le dfaut dinterrupteur maintenu ouvert/ferm, coupure monophas. Le diagnostic est dfini comme tant lidentification de la cause probable de la (ou des) dfaillance(s) dun systme laide dun raisonnement logique fond sur un ensemble dinformations provenant dune inspection, dun contrle ou dun test. Il consiste rsoudre le problme inverse de la relation de cause effet (causalit) connaissant principalement leffet par ses symptmes observables. Il existe quatre groupes de mthodes de diagnostic : - Les mthodes inductives o on cherche identifier tous les vnements ou toute combinaison dvnement qui pourraient entraner une situation de fonctionnement indsirable ;


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- Les mthodes de diagnostic dductives dont la dmarche est inverse et qui consiste rechercher les causes possibles dune dfaillance aprs avoir constat lvnement indsirable; - Les mthodes externes sont bases sur lexpertise humaine et sur le retour dexprience ; - Les mthodes internes ncessitent une connaissance approfondie de modles mathmatiques afin de pouvoir, terme, suivre en temps rel lvolution des paramtres physiques et donc de procder lidentification de ces paramtres. Ces mthodes utilisent diffrentes variables indicatrices, savoir : - Les courants / tensions statoriques. - Le flux magntique. - La vitesse rotorique. - le couple lectromagntique. Ces variables indicatrices sont riches en information. Elles sont exploites en utilisant les mthodes danalyse spectrale ou les mthodes de reconnaissance de forme pour la classification des diffrents types de dfauts. Ces mthodes de classification non-linaires utilisent diffrentes techniques telles que les rseaux de neurones artificiels, la logique floue, les fonctions logiques, etc. Certains travaux ont utilis un seul type de variable indicatrice statorique (valeur efficace des tension et des courants statoriques). La classification distinctive des diffrents types de dfaut est assure par des rseaux de neurones artificiels (RNA). Cette mthode est trs complexe, surtout dans le cas des systmes multi-entres/multi-sorties comme le notre. En fait, la conception du classificateur de dfaut ncessite des calculs gigantesques. Dautres travaux ont considr un seul type de dfaut (transistor maintenu ouvert) et ont essay de trouver des indicateurs base des courants statoriques pour localiser le composant dfaillant. Les signatures spcifiques aux modes de dfaillances est la reprsentation de lvolution du vecteur courant dans le repre triphas (a,b,c) ou dans le repre de Concordia(,) par la transformation de Concordia . Quand une composante continue apparat ou la forme de la courbe reprsentant i en fonction de i est non circulaire ou non symtrique, un dfaut de transistor maintenu ouvert est considr. Lutilisation dun oscilloscope mmoire permet de dtecter et de localiser les dfaillances dans lalimentation onduleur. Cette technique ncessite lutilisation de transformation de Concordia avec trois capteurs de courant et un oscilloscope mmoire. En fait, considr un seul type de dfauts tout en ngligeant dautres types (diode maintenue ouverte, capteur de courant ou de tension dfaillant, coupure de phase) qui ont probablement le mme effet sur la variable indicatrice dduite peut rendre le classificateur moins fiable. Ribeiro, et al. utilisent, comme indicateur, lerreur entre la tension de rfrence sinusodale de la commande MLI et celle de la tension de sortie de londuleur afin disoler le bars en dfaut et en le remplaant par un bras redondant . Cette mthode est utilise seulement pour les systmes en boucle ouverte dont la tension de rfrence sinusodale de la commande MLI nest pas fonction des grandeurs lectriques statoriques (tensions et courants statoriques). En faite pour les systmes en boucle ferme (rgulation de la vitesse de la MAS), la tension de rfrence de la commande MLI est fonction des grandeurs lectriques statoriques, la vitesse rotorique, la vitesse de rfrence, les rgulateurs des boucles de rgulation. Lors de dfaut, cette tension de rfrence peut perdre sa forme sinusodale et mme sa symtrie. La mthode de diagnostic des dfauts de transistor maintenu ouvert et transistor maintenu ferm dans un onduleur de tension deux niveaux alimentant une MSAP. Cette mthode utilise, comme indicateur de dfaut, les courants des interrupteurs et les tensions aux bornes des interrupteurs. Cette technique est recommande pour les cas des dfauts induisant des courts-circuits dune source de tension (transistor maintenu ferm (conducteur)). Cette technique ncessite 6 capteurs de courant ou 6 capteurs de tension.Commande V/f=cte d'une machine asynchrone EMSI2011

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Dans lapproche quon propose, on essaye de trouver des variables indicatrices (ou combinaisons de variables indicatrices) base des tensions et des courants statoriques, spcifiques pour chaque type de dfaut tout en en considrant diffrents types de dfaut non simultans dans le variateur de vitesse de la MAS (onduleur). Les dfauts considrs sont transistor maintenu ouvert (et ferm), diode maintenue ouverte (et ferme), capteur de courant et de tension dfaillant, coupure de phase). La mthode que nous avant utilis est dite mthode base de connaissance reprsentant une combinaison des mthodes de diagnostic dductives et inductives. Nous avons simul des dfauts et constat les rpercussions sur le fonctionnement de lassociation MAS-Onduleur. Enfin nous avons cherch comment dtecter et identifier lvnement (dans notre cas un dfaut de composant, de commande ou de capteur) qui pourrait conduire la cessation de laptitude du systme remplir sa fonction. Dans notre cas, nous nous sommes intress lanalyse des formes des courants et des tensions statoriques de la machine ainsi que leurs diffrentes grandeurs associes savoir leurs valeurs moyennes, leurs valeurs efficaces, leurs sommes, etc. Ces grandeurs sont riches en informations sur les dfauts potentiels. Cela permet de slectionner les grandeurs dont les valeurs varient spcialement en prsence dun dysfonctionnement et destimer dans quel ordre seffectuent les dites variations. Les dfauts intervenant dans un onduleur impliquent gnralement la dfaillance dun ou de plusieurs interrupteurs, un capteur de courant ou de tension. En simulation, nous avons considr que la dfaillance apparaissait un moment donn en rgime permanent et quelle tait complte et permanente. A la lumire de ce qui a t dit, la prsente thse a pour objet la conception dune base de donnes dun systme automatique de surveillance des dfauts pour un variateur lectronique de vitesse (onduleur de tension MLI deux niveaux) alimentant un moteur induction triphas en boucle ouverte et en boucle ferme. Les dfauts considrs sont: a- mauvais fonctionnement de londuleur de tension, ce type de dfaut regroupe les cas suivants : a-1- transistor maintenu ouvert (et diode maintenue ouverte) ; a-2- transistor et diode maintenu ferm (et diode maintenue ferme) ; a-3- coupure monophase (ct moteur et cot onduleur)), b- mauvaise acquisition de donnes (mesure errone suite un dfaut de capteur (essentiellement de courant et de tension) ou mauvais fonctionnement de la chane de traitement de donnes (acquises). Cette tude prend en charge la ralisation de tests de simulation visant lvaluation du comportement de la machine asynchrone pour tudier les phnomnes crs par la prsence de lun des dfauts mentionnes ci-dessus et valuer leur influence sur les diffrentes grandeurs temporelles de la machine (dfinir leffet de chaque type de dfaut sur les grandeurs indicatrices des dfauts considrs): 1- valeurs efficaces des tensions et des courants statoriques mesurs; 2- angles de phase des courants statoriques (ou de leurs fondamentaux); 3- valeur efficace de la somme des valeurs instantanes des courants statoriques mesurs; 4- valeur efficace de la somme des valeurs instantanes des tensions statoriques mesures; 5- valeurs moyennes des courants statoriques mesurs; 6- valeurs moyennes des valeurs absolues des courants statoriques mesurs; 7- courant (tension) de la source continue; 8- Taux de distorsion harmonique des tensions statoriques composes mesures (signaux de sorties des capteurs de tension). La prsente tude par simulation est faite en utilisant le logiciel PSIM. Les programmes de simulation emploient un modle dynamique du moteur induction. Ils emploient des mthodes d'analyse numrique telles que RungaKutta pour rsoudre les quations de ceCommande V/f=cte d'une machine asynchrone EMSI2011

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modle. Elle permet dextraire les caractristiques (essentiellement lectriques : les courants et les tensions statoriques). Ces variables sont des variables indicatrices intermdiaires. Les variables utilises pour la dfinition des zones et des intervalles de dfauts sont les valeurs efficaces des tensions et des courants statoriques, angles de phases des tensions et des courants statoriques, valeur efficace de la somme des valeurs instantanes des courants statoriques et valeurs moyennes des courants statoriques (cas de lalimentation partir dun onduleur de tension). En effet, il est possible de dfinir base des variables sus cits une carte de zones de fonctionnements distinguant chaque type de dfauts par rapport aux autres types. Des algorithmes de classification des diffrents dfauts sont proposs. La caractrisation prend aussi en considration la position des capteurs de courant et de tension par rapport au point de dfaut (MAS aliment par un onduleur en boucle ouverte). Cette dernire est gnralement nglige. La contribution scientifique effectue se situe dans la ligne des travaux mens jusquici sur la surveillance des procds industriels, y compris, par les chercheurs du Laboratoire de Recherche sur lElectrification des Entreprises industrielles, mais, elle consiste particulirement en : - lutilisation dune multitude de variables indicatrices (en vue de raliser des combinaisons des diffrentes grandeurs pour augmenter le degr de confiance du diagnostic), Tout en se basant sur les courants et les tensions statoriques ; - la dfinition des diffrents intervalles, pour les variables indicatrices en vue de caractriser dune manire prcise les diffrents types de dfauts gnrs dans les parties de la machine asynchrone ou de son alimentation ; - La prise en considration de la position des capteurs par rapport aux endroits dapparition des dfauts. La thse est articule autour de quatre chapitres : Le premier chapitre porte sur la synthse des dfauts qui sont susceptibles dapparatre sur le variateur de vitesse de la machine asynchrone triphase. A cet effet, nous allons dans un premier temps dcrire les diffrents constituants du variateur de vitesse. En suite, les dfaillances pouvant apparatre sur le variateur de vitesse de la machine asynchrone (onduleur de tension) seront numres. Parmi ces dfauts, ceux concernant londuleur et sa commande rapproche (dfauts de driver ou dun composant de puissance commandable (un IGBT par exemple) ou de capteur par exemple) sont considrs. Ces dfauts conduisent la perte de contrle de courant et lapparition des ondulations de couple damplitude leve. Ce qui provoque des pannes et, par consquent, des arrts intempestifs prjudiciables au bon fonctionnement du systme ainsi qu la scurit des personnes. Le deuxime chapitre est consacr la simulation de lassociation machine asynchrone onduleur de tension MLI deux niveaux. Cette section prsente une analyse avec simulation de lvolution des diffrentes grandeurs, y compris les variables indicatrices considres, en mode de fonctionnement normal (sans dfaut) pour les deux techniques de commande savoir la commande en V/f constant en boucle ouverte et la commande vectorielle indirecte par orientation du flux rotorique en boucle ferme (rgulation de vitesse rotorique). Dans le troisime chapitre, on prsente une analyse avec simulation des diffrents dfauts de londuleur pouvant survenir lorsque la machine asynchrone est contrle en boucle ouverte en V/f constant. Aprs simulation de ce systme, un algorithme base darbre de dfaillance pour classification de dfauts est mise en place. Dans le quatrime chapitre, on prsente une analyse avec simulation des diffrents dfauts de londuleur pouvant survenir lorsque la machine asynchrone est contrle en boucle ferme (commande vectorielle indirecte par orientation du flux rotorique). Aprs simulation de ceCommande V/f=cte d'une machine asynchrone EMSI2011

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systme, un algorithme base darbre de dfaillance pour classification de dfauts est mise en place. Pour terminer, une conclusion gnrale est prsente sur les principaux rsultats obtenus et sur les perspectives de dveloppement de ce travail.


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Chapitr eI

Analyse des dfaillances affectant le variateur de vitesse de la machine asynchroneCe premier chapitre porte sur la synthse des dfauts qui sont susceptibles dapparatre sur les systmes sus cits. A cet effet, nous allons dans un premier temps dcrire les diffrents constituants du systme (machine asynchrone et variateur de vitesse)


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Chapitre I Analyse des dfaillances affectant le variateur de vitesse de la machine asynchroneI.1. IntroductionLe moteur asynchrone est le plus utilis dans le domaine des puissances suprieures quelques kilowatts car il prsente de nombreux avantages, tels que : sa robustesse, sa construction simple, son faible cot, etc. En outre lapparition dans les annes 80 des variateurs permettant de faire varier la frquence de rotation dans une large gamme a favoris normment lextension de son domaine dapplication. En effet, lensemble convertisseur de frquence moteur asynchrone est actuellement la source principale dnergie mcanique de nombreux procds industriels, entre autres : traction lectrique, laminoirs, levage, pompage, etc. Ce premier chapitre porte sur la synthse des dfauts qui sont susceptibles dapparatre sur les systmes sus cits. A cet effet, nous allons dans un premier temps dcrire les diffrents constituants du systme (machine asynchrone et variateur de vitesse). En suite, les dfaillances pouvant apparatre sur le variateur de vitesse de la machine asynchrone (onduleur de tension) seront numres. Parmi ces dfauts, ceux concernant londuleur et sa commande rapproche (dfauts de driver ou dun composant de puissance commandable (un IGBT par exemple) ou de capteur par exemple) sont considrs. Ces dfauts conduisent la perte du contrle du courant et lapparition des ondulations de couple avec une amplitude importante. Ce qui provoque des pannes et, par consquent, des arrts intempestifs prjudiciables au bon fonctionnement du systme et au process technologique ainsi qu la scurit des personnes.

I.2. Constitution de la machine asynchroneLa machine asynchrone est constitue des principaux lments suivants : - le stator (partie fixe, constitue de disques en tles magntiques portant les enroulements chargs de magntiser lentrefer) ; - lentrefer constitue la partie amagntique (cest de lair), qui doit tre dpaisseur la plus faible possible (de lordre du millimtre) assurant la sparation mcanique entre le stator et le rotor ; - le rotor (partie tournante, constitue de disques en tles magntiques empils sur larbre de la machine port sur des enroulements) ; - les organes mcaniques permettant la rotation du rotor et le maintien des diffrents sousensembles.

I.3. Association Convertisseur - Machine asynchroneDans le cas des moteurs asynchrones, la vitesse de rotation du rotor dpend de la frquence statorique fs (frquence de la tension dalimentation du moteur) et de la frquence des courants rotoriques (donc de la charge). Un convertisseur statique permet de faire varier la frquence ou/et lamplitude de la tension dalimentation et donc de faire varier la vitesse de la machine.Commande V/f=cte d'une machine asynchrone EMSI2011

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Le schma suivant (Fig. I.1) prsente la structure gnrale qui permet de raliser la variation de vitesse.

Fig. I.1 Structures de lalimentation dun moteur pour la variation de vitesse Les diffrents lments constituant la chane dalimentation sont :

I.3.1. Source de tension continue (DC)Lalimentation lectrique continue est gnralement obtenue par :

a. Source de tension continue indpendantea.1. BatteriesElles sont utilises essentiellement dans les systmes embarqus, notamment dans les avions, lautomobile et les systmes de propulsion navale. Ces lments permettant de stocker de lnergie. Ils doivent remplir les conditions suivantes : - Une bonne puissance massique (rapport puissance/poids en W/kg) permettant de bonnes acclrations ; - Une bonne nergie massique (en Wh/kg) tant synonyme dune bonne autonomie ; - Une tension stable engendrant des performances rgulires ; - Une dure de vie leve, calcule en nombre de cycles chargement/dchargement, conduisant une diminution du cot pour lutilisateur ; - Ncessit dun faible entretien et composants facilement recyclables.

a.2. Pile combustibleLa pile combustible peut tre une autre source dnergie pour de nombreuses applications, tels que le vhicule lectrique, etc. Systme peu polluant, qui permet de passer une autonomie suprieure 400 km. Nanmoins, beaucoup de progrs restent faire en matire de fiabilit, longvit, et scurit. Il faudra valuer le cot des infrastructures et les retombes sur lenvironnement. En effet, certains matriaux constitutifs tels que le platine restent coteux.


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b. Association source lectrique AC-redresseur-filtre dentreLa source lectrique alternative est gnralement obtenue par le rseau lectrique monophas ou triphas. Le redresseur permet de transformer la tension alternative monophase ou triphase en une tension continue. Le filtrage (LC) limine les phnomnes d'ondulation de la tension en sortie du redresseur (Fig. I.1).

I.3.2. OnduleurLargement dcrit dans la littrature, londuleur de tension a pour tche de transformer une source de tension continue constante en une tension alternative polyphase de frquence et damplitude variables. Larchitecture de ce convertisseur se compose de plusieurs bras, connects chacun une phase du moteur et comportant deux interrupteurs de puissance. Le cas le plus frquent est londuleur triphas trois ou quatre bras (Fig. I.l). Ces interrupteurs dcoupent la tension dentre en impulsions de largeur variable. En faisant varier la largeur des impulsions (leur amplitude tant fixe par la tension dalimentation continue), on peut modifier lamplitude et la frquence du fondamental, donc de la tension dalimentation du moteur. Il est compos de deux modules gnralement regroups dans une mme enveloppe : 1- un module de puissance qui alimente le moteur en nergie lectrique. Il est principalement constitu de : a- composants de puissance (diodes, thyristors, IGBT, etc.) ; b- interfaces de mesure des tensions et/ou des courants. 2- un module de contrle,

a. Composants de puissanceLes interrupteurs de puissance en tant qulments de base de londuleur se composent, selon la puissance commute: de GTO, de MOSFET de puissance ou dIGBT, etc., en parallle avec une diode. La diode permet dassurer la continuit du courant lors du changement de sens de celui-ci (Fig. I.l) . Les caractristiques de londuleur sont principalement dfinies par ses composants de puissance. Ceux-ci dterminent la puissance, la tension et le courant maximal commut, la frquence maximale de commutation et le temps mort. Les composants de puissance sont base des semi-conducteurs ( base des matriaux semiconducteurs, tels que : le silicium, dont la rsistivit se situe entre celle des conducteurs et celle des isolants) fonctionnant en tout ou rien, donc comparables des interrupteurs statiques pouvant prendre les deux tats : passant ou bloqu.

a.1. IGBTCest un transistor de puissance command par une tension applique une lectrode appele grille ou gate isole du circuit de puissance, do son nom Insulated Gate Bipolar Transistor. Ce composant ncessite des nergies infimes pour faire circuler des courants importants. Cest aujourdhui le composant utilis en interrupteur tout ou rien dans la majorit des convertisseurs de frquence jusqu des puissances leves (de lordre du MW). Ses caractristiques tension-courant sont similaires celles des transistors bipolaires, mais ses performances en nergie de commande et frquence de dcoupage sont trs nettement suprieures tous les autres semi-conducteurs. Les caractristiques des IGBT progressent trs rapidement et des composants haute tension (> 3 kV) et forts courants (plusieurs centaines dampres) sont actuellement disponibles. Le transistor IGBT possde les caractristiques principales suivantes :Commande V/f=cte d'une machine asynchrone EMSI2011

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Une tension de commande : - permettant la mise en conduction et le blocage du composant. ltat passant : - une chute de tension compose dune tension de seuil et dune rsistance interne ; - un courant maximum permanent admissible. ltat bloqu : - une tension directe maximale admissible. Les transistors IGBT utiliss en variation de vitesse peuvent fonctionner des frquences de quelques dizaines de kilohertz.

a.2. DiodeLa diode est un semi-conducteur non contrl comportant deux rgions P (anode) et N (cathode) et qui ne laisse passer le courant que dans un seul sens, de lanode vers la cathode. Elle conduit quant lanode a une tension suprieure celle de la cathode : elle se comporte alors comme un interrupteur ferm. Elle bloque le courant et se comporte comme un interrupteur ouvert, si la tension danode devient moins positive que celle de la cathode. La diode possde les caractristiques principales suivantes: ltat passant : - une chute de tension compose dune tension de seuil et dune rsistance interne ; - un courant maximal permanent admissible (ordre de grandeur, jusqu 5 000 A pour les composants les plus puissants). ltat bloqu : - une tension maximale admissible qui peut dpasser 5000 V crte.

b. Interface de mesure des tensions et/ou des courantsElle est constitue par des capteurs de courant et de tension, systme de conditionnement et convertisseur analogique/numrique (CAN) (cas de la commande numrique).

c. Module de contrle (circuit de commande)Assurant toutes les fonctions de commande via un microprocesseur (automates programmables, PC, etc), qui exploite les rglages et les ordres (consignes et limites de vitesse, rampes, limitation de courant, marche, arrt, freinage, etc.) transmis par un oprateur (via claviers intgrs ou partir dinterfaces de dialogue homme/machine) ou par une unit de traitement, et les rsultats de mesure (venant de linterface de mesure), tels que la vitesse, le courant, etc. Ce module doit garantir les fonctions essentielles de la commande des semi-conducteurs du variateur de vitesse et l'change d'informations de commande, de rgulation et d'analyse avec les priphriques. Lapplication des microprocesseurs a permit d'accrotre la vitesse d'excution des informations de commande et de rgulation du circuit de commande vis vis des autres circuits (circuit intermdiaire, onduleur, etc).

I.4. Commande du variateur de vitesse de la machine asynchroneLe but de cette partie nest pas de donner des outils complets et prcis pour lutilisation des diverses commandes, mais plutt de dcrire quelques architectures de contrle (commande) des machines lectriques.Commande V/f=cte d'une machine asynchrone EMSI2011

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I.4.1. Commande rapprocheSur le schma suivant (Fig. I.2), nous situons la partie commande rapproche:

Fig. I.2 Contexte de la commande rapproche Lunit de calcul fournit des tensions en temps discrets appliquer au moteur lectrique aprs amplification par lintermdiaire de londuleur aliment par une tension continue. Le choix dune stratgie de modulation peut seffectuer en fonction des objectifs souhaits par lutilisateur. Certaines stratgies sont plus adaptes une diminution des ondulations de couple ou une diminution de pertes. Les paragraphes suivants prsentent brivement les principaux types de commande rapproche.

a. Pleine ondeCest une commande simple : les bras de londuleur sont commands tous les tiers de priode. Linconvnient majeur est la forme des tensions qui gnrent beaucoup dharmoniques perturbant la qualit du couple. De plus, il nexiste aucun degr de libert sur la tension.

b. Modulation de la largeur dimpulsions MLILonduleur de tension MLI (PWM-VSI) est choisi en vue davoir une rponse rapide et des performances leves. Dans ce type donduleur, la tension continue alimentant londuleur est considre comme tant constante. Dans ce cas, la tension et la frquence de sortie sont contrles par londuleur en utilisant la technique MLI.

b.1 MLI IntersectiveCette technique est hrite des techniques analogiques. Elle consiste calculer la largeur dune impulsion de manire obtenir la tension de rfrence, en moyenne sur une priode de commutation. Une variante de la MLI Intersective est la modulation sinusodale. En effet, la technique la plus commune pour synthtiser des formes donde sinusodales de MLI est la mthode de modulation triangulaire ou la MLI sinus triangle. Cette dernire tait particulirement approprie aux premiers modulateurs analogiques. Elle est ralise par comparaison dune onde modulatrice basse frquence (tension de rfrence) une onde porteuse haute frquence de forme triangulaire. Ainsi, les instants de commutation sont dtermins par les points dintersection entre la porteuse et la modulatrice. La frquence de commutation des interrupteurs est fixe par la porteuse. En triphas, les trois rfrences sinusodales sont dphases de 2/3 la mme frquence.

b.2 MLI VectorielleCommande V/f=cte d'une machine asynchrone EMSI2011

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Lutilisation des technologies numriques permet le recours des stratgies de modulation triphase spcifiques, non dduites des techniques analogiques initialement conues en monophas. Parmi ces techniques numriques on trouve la modulation vectorielle (ou SpaceVector Modulation, en anglais) qui traite les signaux directement dans le plan diphas de la transforme nomme de Concordia. La MLI vectorielle est certainement la mthode de MLI la mieux adapte au contrle des moteurs asynchrones. Contrairement dautres mthodes, la MLI vectorielle ne sappuie pas sur des calculs spars des modulations pour chacun des bras de londuleur. Un vecteur tension de contrle est calcul globalement et approxim, sur une priode de modulation, par un vecteur tension moyen. Cette modulation est utilise dans les commandes modernes des machines asynchrones pour obtenir des formes dondes arbitraires non ncessairement sinusodales. La dite technique de modulation repose sur la reprsentation dune machine triphase par une machine diphase quivalente. On dfinit ainsi deux repres diphass, lun li au stator (-), et lautre li au champ tournant (d-q), o le passage des grandeurs triphases aux grandeurs diphases se fait par simple projection sur les axes concerns.

b.3 MLI PrcalculePour les mthodes de modulation prsentes dans les paragraphes prcdents, nous avons implicitement considr que les angles de commutation sont dtermins en temps rel. Ces angles taient soit fixs par les instants dintersection dune onde de rfrence et dune onde de modulation, soit calculs au dbut de chaque priode de modulation. Lorsquon utilise un systme microprocesseur pour assurer la modulation, on peut galement commander les semi-conducteurs de londuleur partir de squences pralablement calcules et stockes dans une mmoire. La dtermination des angles de commande peut alors se faire sur la base de critres plus complexes, puisque les angles font lobjet dune dtermination pralable. On peut, suivant le cas, sattacher liminer les premiers harmoniques des tensions de sortie ou minimiser le taux pondr dharmoniques en adoptant une pondration qui tient compte du type de rcepteur aliment et peut varier la frquence de sortie, (donc avec la vitesse du moteur). Chose qui permet dliminer plusieurs harmoniques dordre infrieur offrant ainsi une haute qualit du spectre de modulation. Cependant, la technique MLI programme souffre dun inconvnient important savoir de la tche difficile de calcul des instants spcifiques de la MLI pour optimiser une fonction particulire, ce qui rduit la flexibilit de la technique programme. Il est signaler que la flexibilit de ces techniques peut tre amliore dans les commandes modernes en employant la modulation vectorielle.

I.4.2. Variation de vitesse (onduleur command en boucle ouverte)Dans ce cas, cest un systme, rudimentaire, qui possde une commande labore partir des grandeurs lectriques du moteur avec une amplification de la puissance, mais sans boucle de retour : il est dit en boucle ouverte (Fig. I.3.a). La variation proprement dite de la vitesse du moteur est assure sachant que cette dernire est fonction dune consigne d'entre (frquence) sans tenir compte de la valeur relle de la vitesse du moteur. Pour une valeur donne de la consigne, cette vitesse peut varier en fonction de la


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charge, de la tension d'alimentation ou des perturbations. La plage de vitesse sexprime en fonction de la vitesse nominale.

I.4.3. Rgulation de la vitesse (onduleur command en boucle ferme)Un rgulateur de vitesse est un variateur asservi (Fig. I.3.b). Il possde un systme de commande avec une amplification de la puissance et une boucle de retour : il est dit en boucle ferme . Dans ce cas, la vitesse du moteur est dfinie par une consigne. La valeur de la consigne est en permanence compare un signal de retour, image de la vitesse du moteur. Ce signal est dlivr par une gnratrice tachymtrique ou un gnrateur dimpulsions mont en bout darbre du moteur ou encore par un estimateur qui dtermine la vitesse du moteur partir de grandeurs lectriques disponibles dans le variateur. Les convertisseurs de frquence alimentant les moteurs asynchrones en sont frquemment dots. Si un cart est dtect suite une variation de la vitesse, les grandeurs appliques au moteur (tension et/ou frquence) sont automatiquement corriges de faon ramener la vitesse sa valeur initiale. Grce la rgulation, la vitesse est pratiquement insensible aux perturbations.

a. boucle ouverte

b. boucle ferme

Fig. I.3 Principe de la variation (boucle ouverte) et de rgulation (en boucle ferme) de vitesse dun moteur lectrique La prcision dun rgulateur est gnralement exprime en % de la valeur nominale de la grandeur rguler.

I.5. Diffrentes dfaillances sur un convertisseur de puissance et sa commandeLe convertisseur lectrique est base dun onduleur trois bras (6 transistors) et pour le contrle de sa vitesse, trois capteurs de courant et un capteur de position sont ncessaires. Le point faible de cette architecture consiste dan la fait quun dfaut sur un des composants de la chane de conversion dnergie entrane la perte de contrle totale ou partielle de lactionneur. En pratique, le dfaut peut concerner le rseau (microcoupures, court circuit), le redresseur (casse de diode), londuleur (casse de transistor ou de diode), la machine (court-circuit dans le bobinage) ou lun des capteurs. Parmi ces dfauts, ceux concernant londuleur et sa commande rapproche (dfauts de driver ou dun composant de puissance commandable (unCommande V/f=cte d'une machine asynchrone EMSI2011

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IGBT ou de capteur de courant ou de tension) peuvent tre considrs comme tant les plus probables. Ces dfauts conduisent la perte de contrle de courant et lapparition des ondulations de couple damplitude importante. Il a t montr que les composants prsentant le taux de dfaillance le plus lev sont gnralement les condensateurs lectrolytiques. Cette tude avait t ralise pour une alimentation dcoupage de type Forward unidirectionnel. Lauteur avait montr que les condensateurs taient responsables de 3 pannes sur 4 ( temprature ambiante de 25C) et que, pour cette mme temprature, le taux de dfaillance des transistors tait en moyenne deux fois plus lev que celui des autres composants.

I.5.1. Dfaillance du condensateura. Cas des condensateurs lectrolytiquesMalgr leur faible fiabilit, des considrations de rendement volumique et de prix font que la grande majorit des concepteurs dalimentations choisissent pour constituer les filtres, des condensateurs lectrolytiques. Le schma quivalent dun condensateur rel peut tre mis sous diffrentes formes. La figure I.4, prsente un de ces modles:

Fig. I.4 Schma quivalent dun condensateur rel Avec : Ci : capacit idale anode-cathode, llment principal du condensateur ; Rp : rsistance parallle reprsentant les pertes dilectriques et les fuites entre les deux lectrodes (pour les condensateurs lectrolytiques laluminium, cette rsistance est due la prsence des couches dalumine) ; Rse : rsistance srie des connexions et des armatures ; Lse : inductance quivalente srie des connexions et des enroulements. Sa valeur dpend de la technologie de fabrication Le schma prcdent peut tre simplifi suivant la reprsentation normalise de la figure I.5.

Il se compose de: Avec : n : pulsation naturelle du circuit C-ESR-ESL ;Commande V/f=cte d'une machine asynchrone EMSI2011

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C : capacit (dpendante de la frquence) ; ESR : rsistance quivalente srie reprsentant toutes les pertes dans les condensateurs (fonction de la frquence) ; ESL : inductance quivalente srie, (identique Les), dont la valeur est de quelques nH et elle est indpendante de la frquence. Pour ces condensateurs, la loi dArrhenius ontre que leur dure de vie est approximativement divise par deux, chaque fois que la temprature augmente de 10C. Le courant qui traverse le condensateur (et donc la rsistance quivalente srie ESR), provoque une lvation de temprature et influence la dure de vie du condensateur. La fin de vie des condensateurs est provoque par un phnomne de dfaillance interne, vaporation de llectrolyte ou raction chimique qui se manifeste par la dgradation des paramtres lectriques: la rsistance quivalente srie ESR augmente et la capacit diminue, cette dernire voluant de manire moins importante. Avec cette augmentation rapide de lESR et la diminution de C, la tension aux bornes du condensateur Vcondo prsente de plus en plus dondulations (V). Une surveillance de ce taux peut permettre de dtecter ltat du filtre dentre.

Fig. I.6 Tension en s ortie du filtre La temprature est galement un facteur aggravant de ltat du condensateur et elle affecte sa capacit. Pour chaque condensateur, une plage de temprature de fonctionnement est dfinie. Si la temprature crot et quelle dpasse la limite thermique du condensateur, cela acclre son vieillissement et peut provoquer une dfaillance, en cas dlvation trop importante. Enfin, le condensateur peut subir un court-circuit lorsquune dfaillance apparat sur un bras (un bras est une cellule de commutation constitue de 2 interrupteurs, figure I.1). Si on regarde le schma quivalent du condensateur (Fig. I.4), on voit que par nature, sans tre connect un autre composant, le condensateur se dcharge (dcharge naturelle de Ci dans Rp induisant le courant de fuite If). Rp reprsente la qualit du dilectrique et de loxyde. Si ce dernier est dgrad, la rsistance de fuite diminue et donc le courant de fuite augmente. Ainsi, si un bras est en court-circuit, cela revient mettre en court circuit la capacit. Dans ce cas, soit les connectiques cassent (soudure des pattes sur le condensateur) soit cela gnre un courant plus intense dans le condensateur (augmentation du courant de fuite) entranant une augmentation de la temprature et donc une usure acclre de llectrolyte.

b. Cas des condensateurs films mtallissLes consquences dune dfaillance sur un condensateur films dpendent de lutilisation de ce condensateur.Commande V/f=cte d'une machine asynchrone EMSI2011

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En capacit de filtrage, comme pour les condensateurs lectrolytiques, une augmentation du taux dondulation de la tension en sortie du filtre est observe. On observe galement un chauffement dans la capacit d une mauvaise rpartition du courant dans la mtallisation du film (ondulation haute frquence). Dans le cas dune utilisation dans un circuit daide la commutation (CALC), un mauvais dimensionnement en courant, dune part, et un fonctionnement haute frquence, dautre part, peuvent produire des chauffements dus galement une mauvaise rpartition des courants. Dans une utilisation pour le dcouplage, la connectique actuelle des condensateurs ne permet pas llimination des parasites hautes frquences pouvant rsulter du rseau et/ou des commutations. Il ny a pas lheure actuelle de solution technologique permettant de rsoudre compltement le problme suscit.

I.5.2. Dfaillance des diodes classiquesPour les diodes classiques, lanalyse est plus complexe car il existe plusieurs modes de dfaillance possibles. Toutefois, seul le vieillissement, qui est la dfaillance la plus importante, sera prsent ici. Les diodes peuvent vieillir de plusieurs faons. Il peut y avoir un problme sur la puce de silicium, un problme sur le botier qui nest plus ou pas hermtique. Un indicateur de ltat de la diode est limpdance thermique Zth qui devra tre la plus petit possible. Elle est dfinie par la relation suivante:

O : P puissance dissipe dans la diode en Watt ; Les coefficients de dilatation des diffrents matriaux de la diode tant diffrents, des craquelures peuvent apparatre. La dissipation thermique est alors de moins en moins bonne et limpdance thermique va augmenter (se dgrader). La dfaillance apparat ainsi en fin de vie du composant, pendant la priode dite dusure. Ce problme est un problme que lon retrouve dans la plupart des semi-conducteurs de puissance.

I.5.3. Dfaillance dun interrupteur statique : lIGBT (Insulated Gate Bipolar Transitor)a. Court-circuitLe dfaut de type court circuit se produit lorsquun des composants dune cellule de commutation reste constamment ferm. Un tel dfaut peut avoir deux causes : soit la mise en court-circuit physique de la puce de silicium (IGBT ou diode) par dpassement de temprature critique, soit la dfaillance de la commande rapproche. Lanalyse du droulement dun court-circuit. Dans ce cas, les courants de phases sont fortement altrs. Ce type de dfaillance est extrmement prjudiciable au convertisseur et ncessiterait la mise en oeuvre de protection permettant de dconnecter le bras dfaillant ds lapparition de cette dfaillance. Les diffrents types de dfauts de londuleur ont pour consquence soit un dfaut "circuit ouvert" (figure I.7a) soit un dfaut de "court-circuit" (figure I.7b).Commande V/f=cte d'une machine asynchrone EMSI2011

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Fig. I.7 Diffrents types de dfauts dun bras dun onduleur de tension (a) : dfaut circuit-ouvert (haute impdance) dun transistor (b) : dfaut court-circuit (basse impdance) dun transistor

b. Circuit ouvertIl se peut, pour diverses raisons, quun des IGBT (suprieur ou infrieur) dune cellule de commutation dun bras reste constamment ouvert (dfaut de type circuit ouvert). Ce type de dfaut a pour principale cause une dfaillance de la commande rapproche (dfaut thermique du driver ou perte dalimentation par exemple). Selon la localisation du dfaut dans la cellule, celui-ci sera visible soit sur lalternance positive du courant (dfaut sur IGBT suprieur), soit sur lalternance ngative (dfaut IGBT infrieur). Lorsque le dfaut est visible, la signature se matrialise par le passage dun rapport cyclique 0 ou 1, mais uniquement sur la cellule dfaillante. La consquence est que la cellule dfaillante se retrouve alors en surtension et quun arrt du convertisseur est obligatoire pour viter une propagation du dfaut.

c. VieillissementComme pour la diode classique, ce mode de dfaillance de lIGBT est corrl avec laugmentation de limpdance thermique qui peut tre provoque par : Sollicitations successives (cyclage) ; Dfaut au niveau de la puce de silicium ; Botier non hermtique, permettant lhumidit de pntrer lintrieur (plus ou moins frquent) et de provoquer la corrosion du composant.

I.5.4. Dfaillance du circuit de commande (Vieillissement de loptocoupleur)Le circuit de commande impose ltat des cellules de commutation, c'est--dire louverture ou la fermeture des IGBT. La conception du circuit de commande doit tre ralise avec soin pour raliser au mieux les fonctions de linterrupteur. Une isolation galvanique est prsente afin de dcoupler le circuit porteur dinformations (partie du circuit de commande gnrant les impulsions) du circuit porteur de puissance. Cette isolation peut tre ralise au moyen dun optocoupleur, dun transformateur dimpulsion ou encore par une liaison par fibreCommande V/f=cte d'une machine asynchrone EMSI2011

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optique. Bien ququivalentes en terme de fonction, ces techniques ne prsentent pas les mmes niveaux de fiabilit (figure I.8)

Fig. I.8 Fiabilit des technologies dans les drivers de commande Considrons le cas le plus dfavorable. Loptocoupleur, qui est constitu dune diode lectroluminescente (LED) et dun phototransistor, est llment qui prsente le plus de dfaillance. Un dfaut de loptocoupleur est principalement li au vieillissement de ce dernier. En vieillissant, la rsine de loptocoupleur sopacifie, et de ce fait, le niveau dnergie du signal et la bande de frquence couverte diminuent. Il ny a alors plus de transmission de linformation et la sortie du circuit de commande reste inactive. Ce vieillissement est accentu par les effets de la temprature. Il semble que la dfaillance de la LED intervient systmatiquement avant la dfaillance du phototransistor. Le vieillissement de la LED peut tre dtect dune manire relativement simple, en mesurant le rapport entre le courant dentre et le courant de sortie (Current Transfer Ratio CTR).

Si la LED vieillit, sa puissance diminue, ce qui entrane une variation du CTR passant de la courbe bleue (figure I.9) pour un composant neuf la courbe verte pour un composant us. La surveillance du vieillissement de la LED peut donc se faire par la surveillance du CTR

Fig. I.9 Courbes de CTR - Composants sain et dfaillant


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I.5.5. Coupure de phaseQuand lune des trois phases de londuleur est ouverte, le dfaut de coupure de phase se produit. Ce dfaut provoque aussi une augmentation du courant parcourant les conducteurs des deux phases saines et par consquence leur sur chauffement. Dans les systmes de protection traditionnels, les units de diagnostic instantan, quips de relais diffrentiels, sont utilises. La haute sensibilit au courant dans les relais diffrentiels doit tre assure continuellement dans ces systmes et donc le cot d'entretien serait plus lev.

I.5.6. Dfauts des capteursDans le cadre de la recherche dune mthodologie assurant un diagnostic sr et fiable, lessentiel de la stratgie ne rside pas uniquement dans le grand nombre de capteurs et la redondance des informations mais aussi dans la fiabilit et la prcision des systmes de mesure et danalyse de ces informations. En effet, le degr de pertinence de linformation en provenance des capteurs, doit tre dtermin afin dliminer toutes les informations et les mesures aberrantes. Une information errone peut tre le rsultat dune panne (ou dun dfaut) au niveau du systme de mesure lui-mme. La redondance matrielle peut tre considre dans ce cas comme importante pour le diagnostic. En revanche, elle est onreuse en termes dquipement et de maintenance. Afin dassurer une bonne qualit de mesure et dviter des sources possibles derreurs, quelques rgles doivent tre respectes : - sassurer de la fiabilit et de la prcision des instruments de mesure (talonnage, tests, etc.) - bien choisir le rgime de fonctionnement pendant lequel sont effectues les mesures (rgime transitoire, permanent) ; - rendre compte des conditions environnementales du fonctionnement du processus ; - bien dfinir les marges dincertitudes tolres (perturbations, erreurs, etc.).

I.6. Synthse des dfaillancesLe tableau I.1 rpertorie une liste non exhaustive des dfaillances pouvant se produire sur un variateur de vitesse son lieu dapparition, ses causes possibles et ses effets sur le systme ainsi que les diffrentes observations possibles.


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Tableau I.1 Synthse des dfaillances sur les convertisseurs de puissanceI.7. Position du problme rsoudre Lanalyse de ltat de lart a permis de constater, dune part, que le diagnostic du moteur induction triphas peut tre considr comme tant un systme non linaire multi-entres / multisorties. Le systme de diagnostic doit faire correspondre chaque classe dans lespace d'entre une certaine classe choisie dans lespace de sortie, et dautre part que les dfauts intervenant dans un onduleur impliquent gnralement la dfaillance dun ou de plusieurs interrupteurs, de capteurs de courant ou de tension. A cet effet, dans le modle de travail adopt, nous avons considr que la dfaillance apparaissait un moment donn en rgime permanent et quelle tait complte et permanente. Les objectifs se situent dans la ligne des travaux mens jusquici sur la surveillance et le diagnostic des procds industriels, y compris, par les chercheurs du Laboratoire de Recherche sur lElectrification des Entreprises industrielles, mais, elle sintresse la recherche des diffrentes grandeurs indicatrices (combinaisons de variables indicatrices), en se basant sur les courants et les tensions statoriques, permettant la dfinition des diffrentes intervalles, pour ces variables indicatrices, pour la caractrisation prcise des diffrents cas des dfauts gnrs suite lapparition de dfaillances dans les diffrentes parties de londuleur alimentant la machine asynchrone. La caractrisation prend aussi en considration la position des capteurs de courant et de tensions par rapport au point de dfaut (commande en boucle ouverte), ce qui est gnralement nglige. Pour ce faire, les dfauts considrs sont : a- mauvais fonctionnement de londuleur de tension, ce type de dfaut regroupe les cas suivants : a-1- transistor maintenu ouvert (et diode maintenue ouverte) ; a-2- transistor et diode maintenu ferm (et diode maintenue ferme) ; a-3- coupure monophase (ct moteur et cot onduleur)) ;


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b- mauvaise acquisition de donnes (mesure errone suite un dfaut de capteur (essentiellement de courant et de tension) ou mauvais fonctionnement de la chane de traitement de donnes (acquises). Pour permettre ltude du comportement de la machine asynchrone et lvaluation de linfluence des phnomnes crs par la prsence de lun des dfauts mentionnes ci-dessus, sur les diffrentes grandeurs temporelles de la machine (dfinir leffet de chaque type de dfaut sur les grandeurs indicatrices des dfauts considrs), savoir : 1- valeurs efficaces des tensions et des courants statoriques mesurs; 2- angles de phase des courants statoriques (ou de leurs fondamentaux); 3- valeur efficace de la somme des valeurs instantanes des courants statoriques mesurs; 4- valeur efficace de la somme des valeurs instantanes des tensions statoriques mesures; 5- valeurs moyennes des courants statoriques mesurs; 6- valeurs moyennes des valeurs absolues des courants statoriques mesurs; 7- courant (tension) de la source continue; 8- Taux de distorsion harmonique des tensions statoriques composes mesures (signaux de sorties des capteurs de tension). A la lumire de ce qui a t dit, les objectifs de la prsente thse sont : 1- lutilisation dune multitude de variables indicatrices (en vue de raliser des combinaisons des diffrentes grandeurs pour augmenter le degr de confiance du diagnostic), Tout en se basant sur les courants et les tensions statoriques ; 2- la dfinition des diffrents intervalles, pour les variables indicatrices en vue de caractriser dune manire prcise les diffrents types de dfauts gnrs dans les parties de la machine asynchrone ou de son alimentation ; 3- La prise en considration de la position des capteurs par rapport aux endroits dapparition des dfauts (cas de boucle ouverte de la commande MLI).

I.8. ConclusionCe chapitre a t consacr lanalyse de ltat de lart sur les systmes de surveillance et de diagnostic des variateurs de vitesse. Une liste non exhaustive des diffrentes dfaillances pouvant se produire sur le variateur de vitesse de la machine asynchrone est tablie . A cet effet, dans un premier temps, aprs avoir rappel succinctement la constitution du moteur asynchrone et de son variateur de vitesse, nous nous sommes intresss rpertorier les principales dfaillances pouvant se produire sur ce dernier ainsi que les causes et les consquences de leur apparition (catalogue dfauts-manifestations). Les dfauts tudis par la suite sont : a- mauvais fonctionnement de londuleur de tension, ce type de dfaut regroupe les cas suivants : a-1- transistor maintenu ouvert (et diode maintenue ouverte), a-2- transistor maintenu ferm (et diode maintenue ferme), a-3- coupure monophase (ct moteur et cot onduleur)), b- mauvaise acquisition de donnes (mesure errone suite un dfaut de capteur (essentiellement de courant et de tension) ou mauvais fonctionnement de la chane de traitement de donns (acquise). Dans le chapitre suivant, nous allons nous intresser lapplication de la commande en V/f constant et de la commande par orientation du flux rotorique sur la machine asynchrone base dun onduleur de tension deux niveaux command en MLI triangulo-sinusodale. Lors de la simulation du systme (onduleur de tension - Moteur asynchrone triphas) sans dfaut du variateur de vitesse, lvolution des variables indicatrices choisies est note.


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ChapitreII Commandes en V/f constant en boucle ouverte etvectorielle indirecte par orientation du flux rotorique de la machineLe contrle de vitesse le plus simple, dit en "V sur f", permet de varier la vitesse de la machine sur une large plage. C'est un contrle scalaire. Les quations de la machine qui permettent de calculer le couple et de prvoir les points de fonctionnement sont bases sur le modle "rgime permanent" de la machine.


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Chapitre II Commandes en V/f constant en boucle ouverte et vectorielle indirecte par orientation du flux rotorique de la machine asynchroneII.1. IntroductionCette section prsente une analyse avec simulation de la commande en V/f constant et de la commande par orientation du flux rotorique applique sur la machine asynchrone base dun onduleur de tension deux niveaux command en MLI triangulo-sinusodale. Lors de la simulation du systme (onduleur de tension - Moteur asynchrone triphas) sans dfaut du variateur de vitesse, lvolution des variables indicatrices choisies est note. La figure (II.1.a) prsente un ensemble machine induction alimente par un onduleur de tension deux niveaux en boucle ouverte. Le moteur quadripolaire est aliment par un onduleur de tension contrl base de MLI triangulo-sinusodale. Le moteur est exploit dans sa zone de fonctionnement limite entre le point de fonctionnement vide et celui charge nominale (figure (II.1.c)) pour une frquence de tension de rfrence gale 50 Hz. Cette zone constitue la zone dtude des diffrents modes de dfaillance associs au variateur de vitesse en boucle ouverte.

II.2. Association Onduleur de tension MLI Machine asynchrone en boucle ouverte

a. association Onduleur de tension MLI moteur asynchrone


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C Points de fonctionnement considrs Fig. II.1 Schma synoptique de lassociation Onduleur de tension MLI moteur asynchrone (boucle ouverte) (tat sain) et zone de fonctionnement considre du moteur asynchrone La simulation de lassociation (onduleur de tension deux niveaux MLI triangulosinusodale / machine asynchrone triphase) est faite dans le but d observer son comportement dans son tat sain de fonctionnement, pour diffrentes valeurs du couple de charge (de 0 N.m 50 N.m (couple nominal) et fr = 50 Hz). Dans cette tude, on a choisi uniquement les signaux lectriques (courants et tensions statoriques) comme grandeurs indicatrices de dfauts. Puisque il sagit des grandeurs alternatives, dautres grandeurs lies ces grandeurs alternatives instantanes sont considres pour viter les confusions entre les dfauts statoriques (amlioration du degr de confiance du diagnostic). Ces grandeurs sont : 1- valeurs efficaces des tensions et des courants statoriques mesurs; 2- angles de phase des courants statoriques (ou de leurs fondamentaux); 3- valeur efficace de la somme des valeurs instantanes des courants statoriques mesurs; 4- valeur efficace de la somme des valeurs instantanes des tensions statoriques mesures; 5- valeurs moyennes des courants statoriques mesurs; 6- valeurs moyennes des valeurs absolues des courants statoriques mesurs; 7- courant (tension) de la source continue;


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8- Taux de distorsion harmonique des tensions statoriques composes mesures (signaux de sorties des capteurs de tension). Cette simulation permet dtudier les phnomnes crs par la prsence dun dfaut du variateur de vitesse sur les diffrentes grandeurs temporelles de la machine et notamment de dfinir leffet de chaque type de dfaut sur les grandeurs indicatrices des dfauts choisis pour les traiter, les analyser et dduire lexistence ou non dun dfaut avec certitude.

II.2.1. Technique de modulation de largeurs dimpulsions (MLI)Avec la possibilit davoir des transistors de puissance un cot moindre, il est devenu possible dutiliser la technique MLI pour amliorer la forme donde du courant du moteur, et par consquent, permettre la minimisation des harmoniques provoquant lchauffement de la machine et les pulsations du couple. Dautre part, le dveloppement des algorithmes MLI est un domaine qui, dune part, est lobjet une activit de recherche intense et, dautre part, les convertisseurs utilisant cette technique ont dj domin le march des variateurs de vitesse moteur courant alternatif. Les diffrentes techniques de modulation, tels que la MLI triangulo-sinusodal (Fig. II.2), ont t intensivement traites dans la littrature. Elles ont t initialement dveloppes pour les onduleurs de tension (VSIs) et rcemment appliques aux onduleurs de courant (CSIs). En fait, les techniques onde(s) porteuse(s) et les techniques vecteurs despace sont maintenant applicables pour les deux configurations. Dont les modles de commutation appropris sont obtenus pour les CSIs en se basant sur des principes identiques ceux des VSIs. A la figure (II.1.a), on a reprsent un onduleur MLI de tension alimentant un moteur asynchrone triphas partir dun gnrateur de tension continue Vdc. Londuleur triphas de tension deux niveaux est constitu de six transistors (IGBT), dont chacun est mis en antiparallle avec une diode de puissance assurant la bi-directionalit en courant. Les interrupteurs appartenant un mme bras de londuleur (cest dire les interrupteurs relis une mme borne du rcepteur) doivent fonctionner en mode complmentaire. En contrlant les tats des interrupteurs de chaque bras de londuleur on fixe les valeurs des tensions de sortie de londuleur V10, V20 et V30 +0.5.Vdc ou 0.5.Vdc (Fig. II.3) si on prend comme point de rfrence le point milieu de la tension Vdc, que nous pouvons considrer en supposant que la source Vdc est forme de deux source de valeur Vdc/2 connectes en srie. Si londuleur est aliment par une source de tension continue de valeur Vdc, on obtient la sortie de londuleur trois ondes de tension constitues des crneaux dont lamplitude vaut approximativement +0.5.Vdc ou -0.5.Vdc suivant que ce sont les interrupteurs du cot haut qui conduisent ou ceux du cot bas (Fig. II.3). Lemploi de la technique MLI (modulation de largeur dimpulsions (ou Pulse Width Modulation, en anglais)) permet de dterminer les intervalles de conduction des interrupteurs. La MLI est une technique de dcoupage de tension ou de courant permettant de gnrer des formes quasi sinusodales. Lobjectif principal de cette technique est de rgler lamplitude et la frquence du terme fondamental et de rejeter les harmoniques indsirables gnres par une ondulation pleine onde vers les frquences leves, leurs amplitudes devenant alors ngligeables. Le procd de modulation de largeur dimpulsion pour dterminer les instants de commutation des interrupteurs de londuleur se fait par la comparaison de trois signaux deCommande V/f=cte d'une machine asynchrone EMSI2011

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rfrence avec le signal de la porteuse (triangulaire ou en dents de scie de frquence beaucoup plus leve et damplitude lgrement plus grande) qui fixe la frquence de commutation. Les concidences entre la rfrence et la porteuse dterminent les instants de commutation des sorties MLI (figure II.2). Lorsque le signal de rfrence est au dessus du signal de la porteuse, l'impulsion de sortie est 1; lorsqu'il est au dessous de la porteuse, l'impulsion de sortie est gale 0 (figures (II.2) et (II.3)). Cette comparaison fournit trois signaux logiques C1, C2 et C3 qui valent 1 quand les interrupteurs du cot haut sont en conduction et ceux de cot bas sont bloques et valent 0 dans le cas contraire. A partir de ces signaux llectronique de commande labore les signaux de commande des interrupteurs (figures (II.2) et (II.3)). La tension des sorties (commandes) MLI est amplifie par un tage interrupteurs de puissance (onduleur) ce qui permet dlaborer, partir d'une tension continue constante, un signal hach en brves impulsions de largeurs diffrentes servent alimenter la machine (figure (II.3)). Les inductances des enroulements du moteur vont filtrer les harmoniques de frquence leve de la tension, laissant passer un courant de la forme souhaite cest dire sinusodale.

a. Signaux (tensions) de rfrenceLes tensions de rfrence de londuleur triphas permettant de gnrer un systme de tension triphas quilibr direct sont :

Avec : = 2 fr ; Vm : lamplitude du signal de rfrence; fr : la frquence du signal de rfrence.

b. Caractristiques de la MLI sinus triangleSi la rfrence est sinusodale, On dfinit deux grandeurs : lindice de modulation m gal au rapport de la frquence fp de la porteuse sur la frquence de la rfrence fr (m = fp/fr ). Le coefficient de rglage en tension r gal au rapport de lamplitude Vm de la tension de rfrence la valeur crte Upm de la porteuse (r = Vm/Upm). On parle de modulation synchrone quand m est entier, et asynchrone dans le cas contraire. Pour une modulation sinus - triangle, on gnre trois signaux sinusodaux triphass quilibrs de frquence fr, d'amplitude Vm < 1 et un signal triangulaire de frquence m.fr et d'amplitude 1. La comparaison de chaque sinusode au triangle donne les angles de commutation du bras d'onduleur de la phase correspondante. Pour la phase 1 si la rfrence Vref1 est suprieure au triangle, T1 est ferm; dans le cas contraire T4 est ferm (Fig. II.1). Et de mme pour les cas des autres phases. La tension des sorties (commandes) MLI est amplifie par un tage interrupteurs de puissance (onduleur) ce qui permet dlaborer, partir d'une tension continue constante, un


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signal hach en brves impulsions de largeurs diffrentes servit alimenter la machine (figure (II.3)).

Fig. II.2 Principe de la commande par MLI (Modulation de Largeur d'Impulsion) Signaux de rfrence, porteuse et signaux de commande des transistors T 1, T 2 et T3

c. Injection de lharmonique troisCommande V/f=cte d'une machine asynchrone EMSI2011

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Pour faire usage de la totalit de la tension dalimentation il est ncessaire daugmenter lamplitude du fondamental de la tension de sortie. Cela peut se faire en utilisant une rfrence sinusodale avec addition de lharmonique trois. Pour le mme coefficient de rglage en tension r, et en ajoutant lharmonique trois dans la rfrence, on augmente lamplitude du fondamental de la tension de sortie de londuleur tout en maintenant invariant son THD (Taux de Distorsion Harmonique). On prsente ici le cas de linjection de lharmonique 3. Les nouvelles tensions de rfrence sont alors :

II.2.2. Onduleur de tension frquence variable en V/f constant en boucle ouverteIl existe diffrentes mthodes de commande des machines courant alternatif, entre autres : la commande en V/f constant (commande en boucle ouverte), la commande scalaire, la commande vectorielle ou la commande directe de couple (commande en boucle ferme consistent en la gnration de commandes permettant dasservir la vitesse ou le couple (cas de la traction) une fonction objective donne). Les performances souhaites dpendent de lapplication. Nous trouvons gnralement des critres bass sur les caractristiques dynamiques de la commande, sa robustesse, ou encore le rendement global de lensemble, etc . La question qui se pose alors est quel est le type de commande adopter? Dans ce chapitre, on considre la commande en V/f constant et la commande vectorielle indirecte de la machine asynchrone en mode normal.

a. Caractristiques Ce = f ()Lexpression du couple est (Ce = 3 R2 I22 / g s), celle du courant rotorique est (I2 = V2/Z2 = m V1 g / racine carre (R22 + (L2 2)2) = m V1 g / racine carre (R22 + (g L2 s)2)) et ceux des pulsations des courants rotoriques est statoriques sont ((2 = p (s- ) = p g s = g ) et (s = s / p)), O : dont lesquelles I2 est le courant du rotor; R2 est la rsistance rotorique; g est le glissement; s est vitesse de rotation du flux statorique (vitesse de synchronisme); 2 est la pulsation rotorique; est la vitesse rotorique; p est le nombre de paires de ples; s est la pulsation statorique; V1 et V2 sont les tensions statorique et rotorique; m est le rapport de transformation stator/rotor (primaire/secondaire). Aprs transformation, le couple peut sexprim par (Ce = 3 (m V1)2 (p/s) g R2 / (R22 + (g L2 s)2)). Il est maximal lorsque sa drive par rapport g s'annule, c'est dire (aprs transformation) pour ( g = gM = R2 / L2 s avec s = 2 fs). Donc, il devient (Ce = CeM = 3 m2 (V1/s)2 (p / 2 L22)). Ce rsultat montre qu'il est possible d'obtenir le couple maximal, pour diffrentes vitesses de rotation, condition que le rapport tension d'alimentation / frquence de la tension soit constant (V / f constant) et nominal (voir figure II.1.b).

b. Caractristiques Ce = f (N)Commande V/f=cte d'une machine asynchrone EMSI2011

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Cette caractristique est prsente sur la figure (II.1.b). Pour un couple de charge constant, la variation de la vitesse du moteur peut se faire en variant la valeur de frquence des tensions de rfrence de la commande MLI ainsi que leur amplitude en maintenant le rapport V/f constant et nominal. Cela permet un fonctionnement du moteur avec un couple maximal. Au del de 50 Hz la valeur efficace de la tension dalimentation de la machine ne crot plus, s= V/ nest plus maintenu constant : la valeur maximale du couple dcrot donc lorsque la frquence dalimentation crot au del de 50 Hz (figure (II.1.b)).

c. algorithme V/f ConstantHistoriquement, elle constitue la premire mthode de variation de vitesse d'un moteur AC avec minimisation des pertes. Son algorithme fait partie de la famille des mthodes de contrle scalaire. Le maintien du flux statoriques constant se fait indirectement (sans identification du flux statorique) en commande scalaire en boucle ouverte (sans capteur de vitesse). La seule rfrence est la frquence d'alimentation alors que de la tension statorique de rfrence est calcule par la relation (V/f=Vn/fn=constant). Malgr le dveloppement de la commande vectorielle des systmes moteur AC, la commande scalaire est toujours utilisable dans plusieurs applications (pompes, ventilateurs) Le principe de ces mthodes est dagir sur la frquence et lamplitude des courants ou tensions dentre afin de faire varier lamplitude et la vitesse de rotation des vecteurs spatiaux (flux, tension, etc.), et donc faire varier le couple et la vitesse de rotation du moteur. Avec lalgorithme V/f, on sarrange pour faire voluer lamplitude et la frquence de la tension dalimentation du moteur dune telle faon que leur rapport reste constant, ce qui permet de faire varier la vitesse du moteur pour un couple rsistant constant. Pour mettre en uvre un tel contrle, le plus simple est de fournir la frquence comme consigne du bloc de contrle, (figure II.4). Celui-ci calcule alors la tension qui sert de consigne son tour au bloc MLI.

Fig. II.4 Diagramme de la commande de la vitesse de la machine asynchrone en boucle ouverte en V/F constante Ce contrle en boucle ouverte a le mrite dtre trs simple mettre en oeuvre et ne ncessite que trs peu de moyens de calcul. Pour cette raison il est encore aujourdhui trs rpandu. Mais la dynamique obtenue est trs faible et il ny a pas de rgulation de la grandeur de sortie (couple, vitesse ou position) si bien que cet algorithme est inadapt pour beaucoup dapplications. Pour la caractrisation des dfauts du variateur de vitesse, on a considr les points deCommande V/f=cte d'une machine asynchrone EMSI2011

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fonctionnement correspondant la frquence de rfrence (du signal de rfrence de la commande MLI) de 50 Hz (frquence nominale) pour un moteur asynchrone de tension nominale de 220 V vide et charge nominale (figure (II.1.c)). Cette caractrisation peut tre gnralise sur tous les points de fonctionnement du moteur asynchrone correspondant diffrentes frquences de rfrence.

II.3. Paramtres et blocs de calcul PSIM utilissLa simulation de lassociation (onduleur de tension deux niveau MLI triangulo-sinusodale / machine asynchrone triphase) est faite sous lenvironnement PSIM (Fig. II.5), pour observer son comportement dans son tat sain de fonctionnement, pour diffrentes valeurs du couple de charge (de 0 N.m 50 N.m (couple nominal) et fr = 50 Hz). Les simulations sont faites avec un pas de calcul (time step) de 0.000005 secondes.

Fig. II.5 Schma synoptique de lassociation Onduleur de tension MLI moteur asynchrone (boucle ouverte) (tat sain) sous lenvironnement de simulation PSIM et zone de fonctionnement considre du moteur asynchrone

Plusieurs blocs calculateurs sont utiliss dans la simulation de la MAS alimente par un onduleur de tension MLI. Les paramtres des blocs suscits sont les suivants :

II.3.1. Paramtres de la machine inductionInductance de fuite dune phase statorique Inductance magntisante dune phase statorique Inductance de fuite dune phase rotorique Inductance magntisante des phases rotoriques Maximum de l'inductanceCommande V/f=cte d'une machine asynchrone EMSI2011

: Lsf = 0.00139 H : Lsm = 0.041 H : Lrf = 0.00074 H : Lrm = 0.041 H mutuelle

entre 31

une phase du stator et une phase du rotor Nombre de paires de ples Rsistance d'une phase statorique

: m = 0.0273 H : p = 2 (4 ples) : rs = 0.6294 Ohm

Rsistance d'une phase rotorique: rr = 0.4156 Ohm Puissance mcanique: Pm = 7.6 KW Nombre de phases: N phases = 3 phases Vitesse de rotation nominale: Nn = 1460 tr/min = 153 rad/sec Couple nominal: Cn = 50 N.m Tension nominale entre phase et neutre (Valeur efficace) : Veff = 220 V Courant nominal (en pleine charge) par phase (Valeur efficace) : In = 21 A Frquence nominale: fn = 50 Hz Type de couplage des enroulements du stator:Y Type du rotor: cage dcureuil Moment dinertie: J = 0.22 Kg.m2 Coefficient de frottement visqueux: f = 0.001 N.s/rad Flux maximal: phi max = 1 Wb

II.3.2. Paramtres de londuleur de tension deux niveaux command en MLILonduleur est aliment par une source de tension continue de 800 V avec une rsistance interne de 1 Ohm.

a. Signal de la rfrenceVm=0.8 fr = 50 Hz

b. Signal de la porteuseLa porteuse est un signal triangulaire bipolaire, dont les paramtres sont : Upm = 1 (2 de crte crte) (r = Vm/Upm = 0.8) ; fp = 10000 Hz (m = fp/fr = 200 ).

II.3.3. Paramtres des capteurs lectriquesa. Capteur de tension Gain du capteur de tension : Gv = 1

b. Capteur de courantLe capteur de courant possde une rsistance interne (ri) de 0.001 Ohm Gain du capteur de courant: Gi = 1 (Gi 1 en cas de dfaillance) Pour simuler le cas de dfaillance du capteur de courant, une des deux procdures peut tre considre : 1- En prenant un (Gi 1). 2- En variant la rsistance interne du capteur (ri 0.001).


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II.3.4. Blocs de calculPlusieurs Blocs calculateurs dans lenvironnement PSIM ont t utiliss pour assurer le calcul des variables tels que : les valeurs efficaces (root mean square, en anglais) et les angles de phase des tensions et des courants statoriques, les valeurs moyennes des courants statoriques et leurs THD (taux de distorsion harmonique) ainsi que leurs composantes fondamentales. Cette partie dcrit succinctement les blocs calculateurs utiliss.

a. Calculateur de la valeur moyenne dun signalCe bloc est base dun filtre passe-bas du deuxime ordre utilis pour extraire la composante continue du signal dentre. Sa fonction de transfert est comme suit :

(II.3) Avec : k - gain, dont la valeur est de 1 ; - le coefficient damortissement, dont la valeur optimale est de 0.7 et fc -la frquence de coupure (fc =c/2) dont la valeur est de 5 Hz.

b. Bloc de calcul du taux de distorsion harmoniqueCe bloc est constitu par un filtre passe-bande du 2me ordre utilis pour extraire le fondamentale du signal dentre autour de la frquence centre (du fondamental) avec une frquence de bande passante gale 20 Hz. Pour un signal contenant les composantes fondamentale et harmonique, la facteur de distorsion total dharmoniques (total harmonic distortion (THD), en anglais) est dfini comme suit :

(II.4) O : V1 est la valeur efficace du fondamentale, Vrms est la valeur efficace du signal dentre et Vh est la valeur efficace de la composante harmonique. Le modle du bloc THD peut tre reprsent comme suit :

Fig. II.6 Modle du calculateur de THD sous lenvironnement deCommande V/f=cte d'une machine asynchrone EMSI2011

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simulation PSIM

c. Bloc de calcul de la valeur efficace (Root-MeanSquare Block, en anglais)Ce bloc permet de calculer la valeur efficace (RMS) du signal dentre sur une priode spcifie par la frquence de base fb (dans ce cas 50 Hz). Le signal de sortie est dfini comme suit:

(II.5)

O T = 1/fb. Le signal de sortie (valeur efficace) est mis jour au dbut de chaque priode.

d. Bloc de FFT (Fast Fourier Transform Block)Un tel bloc permet le calcul de la composante fondamentale du signal dentre (tensions et courants statoriques) sur une priode spcifie par la frquence de base fb (dans ce cas 50 Hz). Le nombre des points dchantillonnage dans une priode du fondamental doit tre gal 2N (o N est un nombre entier (N=9 implique 512 chantillons par priode du signal)). Les signaux de sortie sont lamplitude et langle de phase de la composante fondamentale du signal dentre. Le signal de sortie est dfini comme suit:

(II.6)

Exemple:Dans le circuit de dessous (Fig. II.7), la tension vin contient une composante fondamentale v1 (100 V 60 Hz), une tension harmonique de 5me rang v5 (25 V 300 Hz), et une tension harmonique de 7me rang v7 (25 V 420 Hz). Aprs un cycle, le signal de sortie du bloc FFT atteint le rgime permanent avec lamplitude de 100 V et langle de phase de 10o.


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Fig. II.7 Exemple de FFT sous lenvironnement de simulation PSIM La valeur efficace de la composante fondamentale du signal dentre peut tre calcule en divisant son amplitude par la racine de 2.

e. Blocs de filtre (Filter Blocks)Quatre filtres du deuxime ordre sont disponibles dans le bloc du PSIM. Les fonctions de transfert de ces filtres sont: Filtre passe-bas du 2me ordre:

Filtre passe-haut du 2me ordre:

Filtre passe-bande du 2me ordre:

Filtre stop-bande du 2me ordre

Les deux filtres qui nous intressent le plus sont le filtre passe-bas du 2me ordre et le filtre passe-bande du 2me ordre. Sur les figures (II.8.a.), (II.8.b.) et (A.1.) sont prsentes les rsultats de simulation de la machine asynchrone alimente en boucle ouverte selon le principe de V/f constante pour des points de fonctionnement vide et charge. La frquence de rfrence (du signal de rfrenceCommande V/f=cte d'une machine asynchrone EMSI2011

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de la commande MLI) de 50 Hz (frquence nominale) et de 30 Hz pour un moteur asynchrone de tension nominale de 220 V. L'onduleur de tension deux niveaux est aliment avec une source de tension de 800 V. La caractrisation est faite pour le point de fonctionnement vide et charge nominale et elle peut tre gnralise sur tous les points de fonctionnement du moteur asynchrone correspondant diffrentes frquences de rfrence et de couple de charge. La vitesse atteint sa valeur de 1500 tr/min aprs un rgime transitoire avec une lgre ondulation autour de cette valeur. En appliquant un couple de charge de 30 N.m t = 1.1 sec, la vitesse diminue 1480 tr/min pour encore diminuer sa valeur nominale de 1460 tr/min aprs l'application du couple nominal de 50 N.m (fig. A.1). Les courants statoriques prsentent une allure quasiment sinusodale (Fig. II.8.a.) avec une amplitude (ou valeur efficace) qui augmente proportionnellement la valeur du couple. Leurs composantes continues sont quasi nulles. La somme des signaux de sortie des capteurs de courants statoriques est nulle ainsi que celle de capteurs des tensions statoriques. Sur la figure (II.8.b), est prsente la variation de vitesse du moteur de 1500 tr/min 900 tr/min (frquence de rfrence 50 Hz 30 Hz). On note la diminution de l'amplitude des tensions de rfrence de la MLI lorsque leur frquence de rfrence diminue de 50 Hz 30 Hz selon la loi de V/f constante. La vitesse rotorique vide diminue de 1500 tr/min 900 tr/min. En appliquant un couple de charge, elle diminue au dessous de cette valeur selon la valeur du couple de charge (fig.II.8.b). Dans toutes les figures qui suivent, lexpression somme des courants statoriques (A) signifie la somme des courants statoriques mesurs, autrement dit la somme des signaux de sortie des capteurs de courant. De mme pour lexpression somme des tensions statoriques composes(V)).


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Fig. II.8.a. Simulation de la MAS alimente par un onduleur de tension deux niveaux Commande V/f=cte d'une machine asynchrone EMSI2011

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MLI (boucle ouverte) (f=50 Hz avec diffrentes valeurs de couple de charge)

Fig. II.8.b. Simulation de la MAS alimente par un onduleur deCommande V/f=cte d'une machine asynchrone EMSI2011

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tension deux niveaux MLI (boucle ouverte) (f=50 Hz et 30 Hz avec diffrentes valeurs de couple de charge)

II.4. Onduleur de tension frquence variable avec commande vectorielleAu dbut des annes 70, Blaschke et Hasse ont invent une nouvelle technique dite commande vectorielle. En utilisant cette technique, la machine asynchrone (MAS) peut avoir des proprits similaires celle la machine courant continu (MCC), sans les inconvnients lis au systme balais-collecteur. Les travaux de recherche effectus sur ce sujet utilisent trois principales mthodes. La premire dite mthode directe , a t initie par Blaschke, la deuxime dite mthode indirecte a t introduite par Hasse et la troisime dite mthode simplifie est dveloppe par Robyns sur une machine alimente en tension dans le but de linariser le comportement de la machine .

II.4.1. Principe de la commande vectorielleLalgorithme de rfrence de la commande de la machine asynchrone dit commande flux orient (Field Oriented Control (FOC)) a t mis au point par Blaschke en 1972. Cette mthode a marqu un pas dcisif dans la faon de concevoir la commande des machines courant alternatif. En effet, jusquaux dveloppements thorique et pratique de Blaschke, seule la commande scalaire tait utilise. A partir du constat que la machine courant continu tait commande via un dcouplage naturel, lide fondamentale de Blaschke fut de mettre au point une commande permettant de rapprocher le comportement de la machine asynchrone de celui de la machine courant continu. Cette mthode se base sur la transformation des variables lectriques vers un rfrentiel qui tourne avec le vecteur du flux rotorique. Par consquent, ceci permet de commander le flux de la machine avec un courant ids qui est lquivalent du courant inducteur de la machine courant continu. A condition de travailler flux constant, un courant orthogonal iqs permet de contrler le couple lectromagntique, correspondant au courant induit de la machine courant continu. Les techniques de contrle vectoriel sont lies la matrise du vecteur flux (amplitude et position instantane) et correspondent de ce fait un contrle tant des rgimes permanents que transitoires. Par consquent, Contrairement aux mthodes scalaires, les algorithmes de contrle vectoriel permettent de faire varier non seulement lamplitude et la vitesse de rotation des vecteurs spatiaux, mais aussi leur phase. Grce cela, il est possible dans certaines conditions dagir sparment sur le flux de la machine et le courant responsable du couple de la mme faon que pour une machine CC excitation spare. Le couple en rgime transitoire (quelconque) s'exprime dans le repre (d,q) par :

On s'aperoit que si l'on limine : qr i ds , alors le couple ressemblerait fort celui d'une machine courant continu. Il suffit, pour ce faire, d'orienter le repre (d,q) de manire annuler la composante de flux en quadrature. C'est--dire, de choisir convenablement l'angle de rotation de Park de sorte que le flux rotorique soit entirement port sur l'axe direct (d) et donc davoir qr = 0. Ainsi r = dr (Fig. II.9).


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Fig. II.9 Principe du contrle vectoriel (orientation du flux rotorique)

Avec

La constante de temps rotorique et s la variable de la transforme de Laplace permanent r = M .ids .

En rgime

La composante ids commande donc le flux rotorique et la composante iqs le couple lectromagntique flux dr constant. Cest pourquoi on parle de dcouplage dans la commande vectorielle. Notons que le problme essentiel de la commande est de dterminer la norme et la position du flux rotorique, qui ne sont pas mesurables directement. Il est ncessaire de connatre ces deux grandeurs pour le contrle du rgime dynamique de la machine.

II.4.2. Commande vectorielle indirecteContrairement la commande vectorielle directe, la mthode indirecte consiste ne pas *estimer lamplitude du flux rotorique mais utiliser directement lamplitude de rfrence dr. Lintrt de cette mthode est dutiliser uniquement des grandeurs de rfrence qui par dfinition ne sont pas bruites. En effet, cette stratgie consiste laisser la composante ids constante. Cest--dire de fixer sa rfrence de manire imposer un flux nominal dans la machine. Le rgulateur du courant ids soccupe de maintenir le courant ids constant et gal la rfrence ids* (ids* = ids rfrence). On peut galement automatiser le pilotage de la rfrence de courant iqs* en la connectantCommande V/f=cte d'une machine asynchrone EMSI2011

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la sortie dun rgulateur de vitesse. Cest ce dernier qui pilotera le couple de rfrence (et donc iqs*) puisquil agira de manire asservir la vitesse une vitesse de consigne (vitesse de rfrence) La Figure (II.10) rsume cette rgulation puisquelle reprsente le schma de contrle vectoriel de la machine asynchrone avec une rgulation de vitesse et la rgulation des deux courants ids et iqs. Ces deux courants sont rguls par deux boucles de courants dont les sorties sont les tensions de rfrences vds* et vqs* (vdref et vqref ) dans le repre dq

On a donc trois (3) rgulateurs dans ce schma: Le rgulateur de vitesse Ses entres sont la vitesse de rfrence et la vitesse mesure. Il agit sur le couple (cest-dire que sa sortie est le couple de rfrence) pour rguler la vitesse.Commande V/f=cte d'une machine asynchrone EMSI2011

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Pour des rgimes de fonctionnement vitesse suprieure celle de base (ou nominale), le bloc de dfluxage permet de rduire le flux de rfrence ( r * ) pour maintenir le fonctionnement sous la commande vectorielle et afin que la tension la sortie de londuleur ne dpasse pas la tension nominale du moteur et que le courant statorique reste limit par sa valeur maximale . Alors, la diminution de flux (ou du courant magntisant ids*) se fait suivant la fonction non linaire suivante : Ce bloc utilise la vitesse mesure et la pulsation de glissement wr. Dans le cadre de lIRFO, la pulsation de glissement est calcule par wr = iqs*/(ids*r) ou en utilisant les rfrences au lieu des mesures. Ainsi le calcul de langle des transformations directes et inverses peut se faire en sommant la pulsation de glissement avec la vitesse lectrique, ce qui donne la pulsation La sortie du rgulateur de vitesse est le couple de rfrence (ou le courant iqs*). Le couple doit tre limit par des valeurs maximales correspondant au couple maximal que peut supporter le moteur dans les deux sens de rotation Le rgulateur de courant iqs: Il prend en entre le courant iqs* de rfrence et sa mesure. Il agit sur la tension de rfrence vqs* pour ajuster le courant iqs. Si lon regarde de plus prs le schma, on remarque quil y a un coefficient entre le couple de rfrence et le courant de rfrence iqs*. Ce coefficient tient compte de la valeur du flux (voir la formule du couple) mais galement un facteur 2/3 qui dpend de la transformation triphase - biphase choisie. La prsence de ce facteur 2/3 est due au choix de la transformation de Clarke dans ce schma Le rgulateur de courant ids: Il prend en entre le courant ids* de rfrence et sa mesure. Il agit sur la tension de rfrence vds*. Il est signaler que la rgulation de ce courant une valeur constante garantie un flux rotorique constant car

On voit alors quen rgime permanent r = M .ids Il reste examiner deux parties importantes: Les transformations directes et inverses : Lune permet, partir des tensions biphases (vds* , vqs*) dans le repre dq, de calculer les tensions triphases vas, vbs et vcs imposer la machine via londuleur MLI (Modulation de Largeur dImpulsion). La deuxime transformation permet de calculer, partir des trois courants de ligne de la machine, les courants biphass (ids, iqs) dans le repre dq quil faut rguler. Ces deux transformations ncessitent le calcul de langle s.


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Calcul de langle de la transformation de Park s statorique puis en intgrant cette dernire, on obtient s

La figure (II.11) prsente le schma synoptique, sous PSIM, dune machine induction alimente par un onduleur de tension deux niveaux en boucle ferme (commande vectorielle flux orient). Le moteur est quadripolaire est alimente par un onduleur de tension contrl base de MLI sinusodale. En fait, le courant de rfrence id* est pris constant (gale 25 A). La sortie du rgulateur PI de la vitesse reprsente le courant de rfrence iq*. Les paramtres de simulation sont les suivants La fonction de transfert du bloc rgulateur PI du logiciel PSIM est dfinie comme suit: G(s) = k * (1 + sT) / (sT) Rgulateur PI (Proportionel-integral) de la vitesse : Vitesse de rfrence = 500 tr/min (de 0 sec 0.7 sec) et 1000 tr/min (de 0.7 sec 2.5 sec) Couple de charge = 0 N.m (de 0 sec 1.1 sec) et 10 N.m (de 1.1 sec 1.6 sec) et 30 N.m (de 1.6 sec 2.1 sec) et 50 N.m (de 2.1 sec 2.5 sec) k=5Gain du rgulateur PI T = 0.05 sec Constante de temps du rgulateur PI en secondes Rgulateur PI du courant Id : Id ref = 25 A. k = 0.05 T = 0.001 sec Rgulateur PI du courant Iq : k = -0.005 T = 0.001 sec Les rgulateurs de vitesse et des courants sont de type ProportionnelIntgral. Le lecteur peut se rfrer pour plus de dtails sur la mthode de calcul des paramtres des correcteurs de vitesse et des courants. Le courant Iq est limit entre les valeurs maximales de -60 A et +60 A. Les tensions rduites vd et vq (vdef et vqref) sont limites entre les valeurs maximales de -1.5 V et 1.5 V. Le pas de temps des simulations est de 0.000005 sec. Londuleur est aliment avec une tension continue de 800 V et command en MLI avec une frquence de la porteuse gale 10kHz.


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Le courant iqs suit parfaitement sa rfrence iqs* durant le rgime permanent. Durant le rgime transitoire de variation de vitesse de rfrence, on note quil y a un petit dcalage entre iq et iq* suite la variation pulsionnelle du courant de rfrence iq*. En limitant le courant iq entre -60 A et 60 A, on constate que le courant iqs suit sa rfrence durant cette priode. Une fois que la vitesse atteint la valeur de la consigne, le rgulateur de vitesse ne demande quun faible courant iqs* pour vaincre les frottements (machine vide). Les courants statoriques sont quasiment sinusodale et symtriques (voir Fig. 12.a. et Fig.A.2). Les tensions de rfrence dans le repre triphas sont sinusodales, quilibres et symtriques (voir Fig. A.2). Lors de la variation du couple de charge ( t=1.1sec Cr=10 N.m ; t=1.6sec Cr=30 N.m ; t=2.1sec Cr=50 N.m), la vitesse diminue lgrement pour rejoindre sa valeur de rfrence (1000 tr/min (Fig. II.12.a) (500 tr/min pour le deuxime cas (Fig. II.12.b)). Le courant iq suit le courant de rfrence iq* qui prend diffrentes valeurs selon la valeur du couple de charge. On voit galement que le courant ids reste constant et gal sa valeur de rfrence (ids*=25 A)


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II.5. ConclusionDans ce chapitre, en premier sont considrs les principes de la commande en V/f constant en boucle ouverte et la commande vectorielle avec asservissement de la vitesse, appliques la machine asynchrone triphase. Ensuite, on a simul en mode normal (sans dfaillance) de la machine asynchrone alimente par un onduleur de tension MLI deux niveaux. On constate la variation de lamplitude de la tension de rfrence de la commande MLI en boucle ouverte en fonction de la frquence de rfrence. Cette variation permet le maintien du rapport V/f constant lorsque la frquence de rfrence est infrieure la frquence nominale de la machine. Lors de lasservissement de la vitesse par la commande vectorielle indirecte de flux rotorique orient (IFOC), on constate la bonne poursuite de la vitesse rotorique par rapport sa rfrence, ainsi que les cou

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