No dordre : 2182

Anne 2004 e

` THESEprsente e e pour obtenir le titre de DOCTEUR DE LINSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Spcialit : Gnie Electrique e e e par

Paul-Etienne VIDALIngnieur en Gnie Electrique et Automatique (ENSEEIHT) e e DEA Gnie Electrique (GEET-TOULOUSE) e

Commande non-linaire e dune machine asynchrone ` double alimentation asoutenue le 14 dcembre 2004 devant le jury compos de : e e MMe. Ilhem MM. Jean-Paul Ren e Franck Guillaume MMe. Maria M. Jean-Louis Slama-Belkhodja Hautier Le Doeu Betin Gateau Pietrzak-David Pouliquen Prsident du Jury e Rapporteur Rapporteur

Invit e

Th`se prpare au e e e Laboratoire dElectrotechnique et dElectronique Industrielle de lENSEEIHT UMR CNRS N 5828

Commande non-linaire dune e machine asynchrone ` double a alimentationMots Cls e Machine asynchrone ` double alimentation a Contrle vectoriel a champ orient o ` e Contrle ` structure variable o a Modlisation en courant e Modlisation en ux e Rpartition des puissances e

Rsum : e eCette tude prsente des stratgies linaires et non-linaires de contrle applie e e e e o ques ` lasservissement en vitesse dune Machine Asynchrone ` Double Alimene a a tation (MADA) dont les enroulements statoriques et rotoriques sont relis ` des e a onduleurs de tensions ` Modulation de Largeur dImpulsion indpendants. Nous a e avons choisi de rpartir les puissances actives entre le stator et le rotor suivant un e certain rapport de proportionnalit. Cela nous conduit ` garantir, en rgime permae a e nent, une rpartition des pulsations statoriques et rotoriques. Cette rpartition est e e assure dans un premier temps par deux rgulateurs de pulsations rparties, et dans e e e un deuxi`me temps par le biais des angles de transformation directement. Nous de e veloppons ensuite deux mod`les analytiques de la MADA : le premier exprime les e courants, et le second les ux. Les simulations des stratgies de contrle linaire e o e (contrle vectoriel), et non-linaire (contrle par mode de glissement), dmontrent o e o e un bon dcouplage entre laxe magntisant et laxe du couple. Une validation exe e primentale est prsente. Les premiers rsultats exprimentaux montrent le bon e e e e e contrle de ltat magntique de la machine, ainsi que la rpartition des puissances o e e e dsires ` travers les pulsations. e e a

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Non-linear control of a doubly fed induction machineKeywords Doubly Fed Induction Machine Field Oriented Control Variable Struture Control Current Model Flux Model Power Dispatching

Abstract :This study deals with linear and non-linear control strategies applied to the rotation speed feedback of a doubly fed induction machine (DFIM), whose stator and rotor windings are connected to two Pulse Width Modulation voltage source inverters. We choose to distribute the active powers between the stator and the rotor following a certain proportionality ratio. This leads to guarantee, in steady state operation, a stator and rotor angular frequencies sharing. This distribution is initially assured by two shared angular frequencies controllers, and in a second time by the means of the Park transformation angles directly. Two models are established : the rst express the currents, and the second is linked with the uxes. The simulations results of the linear control (eld oriented control), and non-linear control (sliding mode control), show a good independence between the main ux and the torque. An experimental validation is also presented. The results presented show the satisfactory DFIM ux control. Special attention is paid to the active power dispatching.

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Avant-proposLes travaux prsents dans ce mmoire ont t raliss au sein de lquipe Come e e ee e e e mande et Diagnostic des Syst`mes Electriques (CoDiaSE) du Laboratoire dElece trotechnique et dElectronique Industrielle de Toulouse (LEEI), Unit Mixte de Ree cherche CNRS/INPT n 5828. Le laboratoire est implant sur le site de lEcole Nae tionale Suprieure dElectrotechnique, dElectronique, dInformatique, dHydraue lique et Tlcommunication de lInstitut National Polytechnique de Toulouse. ee Lensemble de ces travaux de recherche ainsi que les activits de moniteur naue raient pu avoir lieu sans changes avec les acteurs de la recherche et de lenseie gnement du LEEI et de lENSEEIHT. Je les remercie chaleureusement pour les discussions constructives que nous avons pu avoir. Leur soutien a t une source ee de motivation supplmentaire pour enrichir toujours plus mon savoir faire. e Je veux remercier ici tous ceux qui de pr`s ou de loin ont contribu ` la russite e ea e de ces travaux. Quils trouvent dans ce mmoire une trace de ma reconnaissance. e Jadresse ici ma profonde reconnaissance ` Madame Maria PIETRZAK-DAVID, a directeur de Th`se, Professeur ` lENSEEIHT et responsable du dpartement de e a e formation Gnie Electrique et Automatique pour son aide et ses encouragements e rguliers. Ses qualits scientiques et humaines ont toujours t une source de moe e ee tivation. Je remercie Madame Ilhem SLAMA-BELKHODJA pour mavoir fait lhonneur de prsider mon jury de th`se. e e Je remercie galement Messieurs Jean-Paul HAUTIER, Professeur au centre ENe SAM de Lille et Ren LE DOEUFF Professeur des Universits ` lUniversit de e e a e Nantes pour avoir accept la charge de rapporteurs. Nos dirents entretiens ont e e contribu ` la bonne lisibilit scientique de ce mmoire. ea e e Mes remerciements vont galement ` Messieurs, Frank BETIN, Professeur des e a Universits ` lUniversit dAmiens, et Jean-Louis POULIQUEN, Ingnieur ` ALSTOM e a e e a POWER CONVERSION Belfort pour avoir accept la charge dexaminateurs. De part e leur origine lg`rement dirente de ma communaut de travail, ils ont amen un e e e e e certain clairage sur le contenu de ce mmoire. e e Enn je remercie chaleureusement Monsieur Guillaume GATEAU pour avoir accept dexaminer cette soutenance mais surtout pour sa prsence et son aide e e quotidienne lors de la mise en oeuvre exprimentale. e Merci ` M. Yvon CHERON, directeur du LEEI, (LEEI) pour mavoir accueilli a iii

Avant-propos dans les murs du laboratoire quil dirige. Merci ` M. Maurice FADEL, responsable du groupe CoDiaSE, pour mavoir a intgr au sein de son quipe de recherche. e e e Merci ` Messieurs Bruno SARENI et Stphane CAUX, Ma a e tres de confrence ` e a lENSEEIHT pour leur disponibilit et leur enthousiasme. Merci pour les changes e e fructueux que nous avons eus, quils aient t scientiques, extra-professionels ou ee Tarotistique. Merci ` Jean-Claude HAPIOT, Professeur ` lENSEEIHT, qui a t mon tuteur a a ee en tant que moniteur. Jai apprci nos changes en mati`re de pdagogie. e e e e e Merci ` Alain BOUSCAYROL, Ma de confrence ` lUniversit Scientique a tre e a e et Technologique de Lille, pour son soutien. Ses conseils aviss ont contribu ` e e a louverture desprit scientique dont jai toujours voulu tmoigner. e Un grand merci aux secrtaires du laboratoire qui nous simplient considrae e blement les tches administratives et aux techniciens pour leur aide sur les aspects a exprimentaux. A lensemble des thsards que jai croiss ou ctoys, je leur soue e e o e haite ` tous une bonne continuation. Un merci particulier ` Grce, Lauric, Sylvain, a a a Martin, et Gianluca, pour leur bonne humeur au quotidien. Nos discussions, pas toujours scientique, ont souvent bris les dynamiques ngatives lors de priodes e e e diciles. Je ne peut terminer sans avoir une pense pour mes parents, ma soeur et mon e fr`re. Ils mont toujours soutenu et encourag. Le parcours que jai eu jusqu` ce e e a jour est en partie leur oeuvre. Enn, je voudrais tmoigner ici de tout mon amour pour celles qui illuminent e mes journes de leur prsence, e e A ma femme, Caroline A ma lle, Elona.

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Table des mati`res eRsum e e Abstract Avant-propos Introduction Gnrale e e 1 De 1.1 1.2 ltat de lart au positionnement de ltude e e Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Etat de lart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1 Prsentation des tudes antcdentes . . . . . . . . . . . . . e e e e 1.2.1.1 Stabilit et modlisation de la MADA . . . . . . . e e 1.2.1.2 Formes dondes des signaux dune MADA . . . . . 1.2.1.3 Stratgies de commande . . . . . . . . . . . . . . . e 1.2.1.4 Articles gnraux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e e 1.2.2 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Choix de la cha de puissance retenue . . . . . . . . . . . . . . . . ne Discussion sur les avantages et les inconvnients dune MADA avec e des convertisseurs au stator et au rotor . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.1 Domaines dapplication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.2 Avantages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.3 Inconvnients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e Positionnement de ltude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e 1.5.1 Contexte local . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.2 Contexte national . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.3 Prsentation du syst`me ` contrler . . . . . . . . . . . . . . e e a o 1.5.3.1 Partie puissance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.3.2 Partie commande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conclusion du positionnement de ltude . . . . . . . . . . . . . . . e i ii iii 1 4 4 5 5 6 8 9 15 16 19 20 20 21 22 22 22 24 24 24 26 27

1.3 1.4

1.5

1.6

2 Modlisation du syst`me e e 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Modlisation type courant de la MADA . . . . . . . . e 2.2.1 Modes lectriques . . . . . . . . . . . . . . . . . e 2.2.1.1 Expression des fonctions de transferts lectriques . . . . . . . . . . . . . . . . e 2.2.1.2 Schma-bloc des modes lectriques . . e e 2.2.2 Modes mcaniques . . . . . . . . . . . . . . . . e v

28 . . . . . . . 28 . . . . . . . 29 . . . . . . . 29 des modes . . . . . . . 29 . . . . . . . 32 . . . . . . . 32

Table des mati`res e Expression de la fonction de transfert du mode me canique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2.2 Schma-bloc du mode mcanique . . . . . . . . . . e e Modlisation type ux de la MADA . . . . . . . . . . . . . . . . . e 2.3.1 Modes lis aux ux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e 2.3.1.1 Expression des fonctions de transfert des modes lis e aux ux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1.2 Modlisation schmatique des modes lectriques . . e e e 2.3.2 Modes mcaniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e 2.3.2.1 Expression de la fonction de transfert du mode me canique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2.2 Schma-bloc du mode mcanique . . . . . . . . . . e e Conclusion sur les deux types de modlisations prsentes . . . . . . e e e Modlisation de la MADA par un formalisme graphique, la Repre e sentation Energtique Macroscopique . . . . . . . . . . . . . . . . . e 2.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.2 Formalisme REM de la MADA . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.3 REM ne de la MADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.4 Conclusions sur le formalisme REM utilis . . . . . . . . . . e Analyse du rgime permanent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e 2.6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.2 Mod`le aux inductances couples . . . . . . . . . . . . . . . e e 2.6.3 Mod`le aux sources lies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e e 2.6.4 Mod`le avec fuites ramenes au stator . . . . . . . . . . . . e e 2.6.5 Conclusion sur lanalyse de la MADA en rgime permanent . e Synth`se sur la modlisation du syst`me . . . . . . . . . . . . . . . e e e 2.2.2.1

2.3

32 34 34 34 34 36 37 37 37 37 38 38 38 40 42 42 42 42 43 44 45 47

2.4 2.5

2.6

2.7

3 Contrle linaire o e 48 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.2 Principe de simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.2.1 Logiciel de simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.2.2 Param`tres de simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 e 3.3 Stratgies linaires de contrle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 e e o 3.3.1 Stratgie applique ` la modlisation en courant . . . . . . . 50 e e a e 3.3.2 Stratgie applique ` la modlisation en ux . . . . . . . . . 52 e e a e 3.4 Rpartition des puissances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 e 3.4.1 Etat de lart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.4.2 Pulsation de transition pour une plage de variation classique 55 3.4.3 Pulsation de transition pour une plage de variation maximale 56 3.4.4 Pulsation de transition pour une plage de variation minimale 59 3.4.5 Fonctionnement de la machine en survitesse . . . . . . . . . 60 3.4.6 Conclusion sur les direntes lois de variations des pulsations 62 e 3.5 Mise en oeuvre de la rpartition des puissances . . . . . . . . . . . . 64 e 3.5.1 Mod`les analytiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 e 3.5.2 Mod`le graphique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 e 3.5.3 Conclusion sur la mise en oeuvre de la rpartition des puise sances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.6 Rsultats de simulation - Mod`le en courant chantillonn . . . . . 69 e e e e

vi

Table des mati`res e 3.6.1 3.6.2 Algorithme et schma ` programmer . . . . . . . . . . . . . e a Rgulateur de pulsations rparties . . . . . . . . . . . . . . . e e 3.6.2.1 Plage de variation maximale . . . . . . . . . . . . . 3.6.2.2 Plage de variation classique . . . . . . . . . . . . . 3.6.2.3 Plage de variation avec discontinuit minimale . . . e 3.6.2.4 Application du crit`re IAE . . . . . . . . . . . . . e 3.6.3 Imposition angulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.3.1 Plage de variation maximale . . . . . . . . . . . . . 3.6.3.2 Plage de variation classique . . . . . . . . . . . . . 3.6.3.3 Plage de variation avec discontinuit minimale . . . e 3.6.3.4 Application du crit`re IAE . . . . . . . . . . . . . e Rsultats de simulation - Mod`le en ux chantillonn . . . . . . . e e e e 3.7.1 Algorithme et schma ` programmer . . . . . . . . . . . . . e a 3.7.2 Rgulateur de pulsations rparties . . . . . . . . . . . . . . . e e 3.7.2.1 Plage de variation maximale . . . . . . . . . . . . . 3.7.2.2 Plage de variation classique . . . . . . . . . . . . . 3.7.2.3 Plage de variation avec discontinuit minimale . . . e 3.7.2.4 Application du crit`re IAE . . . . . . . . . . . . . e 3.7.3 Imposition angulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7.3.1 Plage de variation maximale . . . . . . . . . . . . . 3.7.3.2 Plage de variation classique . . . . . . . . . . . . . 3.7.3.3 Plage de variation avec discontinuit minimale . . . e 3.7.3.4 Application du crit`re IAE . . . . . . . . . . . . . e Conclusions ` partir du crit`re IAE . . . . . . . . . . . . . . . . . . a e Inuence de lutilisation dun modulateur de type MLI sur les simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.9.1 Modulation ` Largeur dImpulsion utilise . . . . . . . . . . a e 3.9.2 Rsultats pour une modlisation en courant chantillonne . e e e e 3.9.3 Rsultats pour une modlisation en ux chantillonne . . . e e e e 3.9.4 Conclusion sur les eets dune Modulation ` Largeur dIma pulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conclusion sur les contrles linaires . . . . . . . . . . . . . . . . . o e 69 71 72 74 75 75 77 77 78 79 80 81 81 82 82 84 84 84 85 85 87 88 88 89 90 90 90 93 95 96

3.7

3.8 3.9

3.10

4 Commande ` rgime glissant applique ` la MADA a e e a 97 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.2 Gnralits sur la thorie du contrle par mode de glissement . . . . 98 e e e e o 4.2.1 Structure par commutation au niveau de lorgane de commande 98 4.2.2 Structure par commutation au niveau dune contre-raction e dtat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 e 4.2.3 Structure par commutation au niveau de lorgane de commande, avec ajout de la commande quivalente . . . . . . . 99 e 4.3 Principe de la commande ` structure variable . . . . . . . . . . . . 100 a 4.3.1 Dnition des syst`mes non-linaires . . . . . . . . . . . . . 100 e e e 4.3.2 Formulation des expressions gnrales de la commande par e e mode de glissement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.3.3 Surface de commutation et vecteur de commande . . . . . . 103 4.3.3.1 Choix de la surface de commutation . . . . . . . . 103 4.3.3.2 Choix du vecteur de commande . . . . . . . . . . . 104

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Table des mati`res e 4.4 Application ` une modlisation de la MADA de type courant . . . . 105 a e 4.4.1 Modes rapides lis aux courants . . . . . . . . . . . . . . . . 105 e 4.4.1.1 Mise en quation avec un rgulateur ` mode glissant 105 e e a 4.4.1.2 Schma de commande des modes rapides avec un e rgulateur ` mode glissant . . . . . . . . . . . . . . 108 e a 4.4.2 Modes lents lis ` la vitesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 e a 4.4.2.1 Mise en quation avec un rgulateur ` mode glissant 109 e e a 4.4.2.2 Schma de commande du mode mcanique avec un e e rgulateur ` mode glissant . . . . . . . . . . . . . . 110 e a 4.4.3 Rsultats de simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 e 4.4.3.1 Rgulateur rparti de pulsation . . . . . . . . . . . 111 e e 4.4.3.2 Rglage angulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 e 4.4.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Application ` une modlisation de type ux . . . . . . . . . . . . . 117 a e 4.5.1 Modes rapides, lis aux ux . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 e 4.5.1.1 Mise en quation avec un rgulateur ` mode glissant 117 e e a 4.5.1.2 Schma de commande avec des rgulateurs ` modes e e a glissants appliqus aux modes rapides lis aux ux 119 e e 4.5.2 Modes lents lis ` la vitesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 e a 4.5.2.1 Mise en quation avec un rgulateur ` mode glissant 119 e e a 4.5.2.2 Schma de commande du mode mcanique avec un e e rgulateur ` mode glissant . . . . . . . . . . . . . . 120 e a 4.5.3 Rsultats de simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 e 4.5.3.1 Rgulateur rparti de pulsation . . . . . . . . . . . 121 e e 4.5.3.2 Rglage angulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 e 4.5.3.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 Rgime glissant discret, application ` une modlisation en courant . 126 e a e 4.6.1 Application aux modes rapides lis aux courants . . . . . . . 127 e 4.6.1.1 Mise en quation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 e 4.6.1.2 Schma de contrle gnrique des modes rapides e o e e lis aux courants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 e 4.6.2 Modes lents lis ` la vitesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 e a 4.6.2.1 Mise en quation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 e 4.6.2.2 Mise en oeuvre du schma de contrle de la vitesse e o a ` partir dune discrtisation du mode glissant . . 132 e 4.6.3 Rsultats de simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 e 4.6.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 Stratgie mixte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 e 4.7.1 Mise en quation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 e 4.7.2 Rsultats de simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 e 4.7.3 Conclusion sur une stratgie mixte . . . . . . . . . . . . . . 139 e Inuence dun modulateur ` largeur dimpulsion . . . . . . . . . . . 139 a 4.8.1 Rsultats de simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 e 4.8.2 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 Conclusion gnrale sur une stratgie ` mode glissant applique ` la e e e a e a MADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

4.5

4.6

4.7

4.8

4.9

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Table des mati`res e 5 Ralisation exprimentale e e 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Partie puissance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Machine asynchrone ` double alimentation . . . . . . . a 5.2.2 Machine ` courant continu . . . . . . . . . . . . . . . . a 5.2.3 Rsum des param`tres . . . . . . . . . . . . . . . . . . e e e 5.2.4 Convertisseurs statiques . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.4.1 Convertisseurs statique lis ` la MADA . . . e a 5.3 Partie commande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.1 Carte comprenant un composant de type DSP . . . . . 5.3.2 Carte comprenant un composant de type FPGA . . . . 5.3.3 Carte CAN-CNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.4 Schmas de connection entre cartes . . . . . . . . . . . e 5.3.4.1 Gnralits sur les signaux changs . . . . . e e e e e 5.3.4.2 Allocation mmoire . . . . . . . . . . . . . . . e 5.3.4.3 Fonctionnement de la carte FPGA ACEX1K 5.3.4.4 Fonctionnement de la carte DSP TMS320 . . 5.3.4.5 Programmation de fonctions dans le DSP . . 5.3.4.6 Niveau hirarchique des interruptions . . . . . e 5.4 Rsultats exprimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e e 5.5 Conclusion sur la mise en oeuvre exprimentale . . . . . . . . e Conclusion 146 146 146 148 149 149 150 150 152 153 154 154 154 154 155 157 159 160 162 162 163 166

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A Annexe A 170 A.1 Grandeurs relles - Grandeurs . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 e A.2 Grandeurs - Grandeurs d q . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 A.3 Synth`se . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 e B Annexe B 172 B.1 Rgime glissant discret appliqu aux modes lents . . . . . . . . . . 172 e e C Glossaire 175 C.1 Principales notations utilises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 e Bibliographie 177

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Introduction Gnrale e eLe point de dpart de cette tude a t daller vers une Commande non linaire e e ee e dune machine asynchrone ` double alimentation. A travers ce mmoire, nous ala e lons brosser un tableau de toutes les tapes ` franchir pour parvenir ` ce rsultat. e a a e Les aspects concernant le choix de la conguration de notre MADA, jusqu` lima plantation exprimentale en passant par la simulation temps rel du syst`me, sont e e e dcrits dans cette tude. e e Le premier chapitre aborde ltude sous une forme assez descriptive. En eet, ` e a travers une tude bibliographique dun certain nombres darticles de revues et de e confrences, nous dressons un premier bilan sur la MADA. En premier lieu, nous e dgagerons deux tendances pour la conguration de la MADA. e La premi`re conguration concerne une machine asynchrone ` rotor bobin e a e dont les enroulements statoriques sont relis ` un rseau lectrique triphas, tandis e a e e e que les enroulements rotoriques sont connects ` un onduleur de tension ` MLI. e a a Cette conguration vise, pour la plupart des tudes, un fonctionnement en mode e gnrateur. Les applications vises sont notamment les oliennes. e e e e La deuxi`me conguration est une machine asynchrone ` rotor bobin dont e a e les enroulements statoriques et rotoriques sont relis ` des onduleurs de tension ` e a a MLI indpendants. Ces onduleurs tirent leur nergie dun redresseur qui peut-tre e e e commun, ou propre ` chaque onduleur. Chacune de ces variantes ` ses avantages a a et ses inconvnients. e En second lieu, nous analysons les direntes stratgies de commande qui ont e e t testes avec ces deux congurations. Il appara que la stratgie de pilotage tr`s ee e t e e majoritairement utilise sur ce type de machine lectrique est le contrle vectoriel. e e o Ce contrle est bas sur le principe dorientation dun champ. De cette mani`re, les o e e tensions, les courants, et les divers ux ont t pris comme axe de liaison avec le ee rep`re tournant ncessaire. Cette stratgie ayant t tr`s tudie, elle nous servira e e e ee e e e de base de travail pour la suite de notre tude. e Dans ce premier chapitre nous dressons un bilan des avantages et des inconve nients dune MADA et choisissons de nous orienter vers une conguration utilisant deux onduleurs relis aux enroulements statorique et rotorique de la MADA. Nous e avons donc x la conguration du syst`me que nous allons utiliser et lorientation e e que nous allons choisir pour la stratgie de commande. e Dans le deuxi`me chapitre, nous dcidons dadopter la loi de rpartition des e e e puissances propose par un auteur [22]. Eectivement, il nous semble judicieux de e vouloir contrler les changes de puissance active dans ce syst`me. Au cours du o e e deuxi`me chapitre, nous constatons que la modlisation utilise lors de la loi de e e e rpartition des puissances ne prsente pas toutes les garanties quon pourrait exie e ger delle. Nous dcidons dutiliser une modlisation valable en rgimes transitoire e e e 1

Introduction Gnrale e e et permanent, base sur les courants statoriques et rotoriques de la MADA. En e vue de se rapprocher le plus possible dun fonctionnement avec un contrle direct o du couple (DTC), nous proposons galement une deuxi`me modlisation base sur e e e e les ux statoriques et rotoriques. Au cours du deuxi`me chapitre, nous dressons e un schma quivalent en rgime permanent de la MADA. Nous nous appuyons e e e galement sur un mod`le graphique an de reprsenter la MADA dune mani`re e e e e originale. Nous obtenons donc ` la n de ce chapitre les modlisations analytiques a e et graphiques, valables en rgimes permanent et transitoire en vue dlaborer la e e stratgie de pilotage de la MADA. e Dans le troisi`me chapitre, nous laborons pour les deux modlisations suse e e mentionnes, un contrle vectoriel ` orientation de ux statorique. Nous dvee o a e loppons galement, le principe de rpartition des puissances. Nous constatons, e e quen rgime permanent, la rpartition des puissances est quivalente ` une re e e a e partition des pulsations. De plus, nous devons dnir des pulsations de transition e qui marquent la commutation entre deux lois de variation. Nous montrons que le choix de ces pulsations de transition ` une inuence sur les discontinuits de a e frquences ` imposer. Compte tenu de ces lments, nous trouvons deux faon e a ee c dimposer les pulsations a notre syst`me : ` e utilisation de rgulateur rpartis de pulsation, e e imposition angulaire. Pour chacune de ces modlisations et de ces pulsations de transition, nous utilisons e le crit`re IAE appliqu aux erreurs commises sur le ux statorique et sur la pule e sation statorique pour dresser un bilan des inuence et des couplages qui existent entre ces lments. ee Les rsultats de simulation prsentant la variation de vitesse, la rponse des e e e composantes du ux statorique et les rponses des pulsation statorique et rotorique e au cours dun cycle de rfrence sont donns. ee e Enn linuence des temps morts est teste. e Le quatri`me chapitre aborde laspect commande non-linaire. Apr`s un bref e e e rappel de quelques lments de thorie ncessaires pour la mise en oeuvre dune ee e e rgulation ` structure variable, nous dcidons de lappliquer ` nos deux modlisae a e a e tions. La structure retenue est une conguration utilisant le principe de la commande quivalente. La surface de commutation ncessaire pour lutilisation dune e e rgulation ` mode glissant est choisie gale ` lerreur. Pour le mod`le en courant, e a e a e il sagit des erreurs de courants, pour le mod`le en ux, il sagit des erreurs come mises sur les ux. Le vecteur de commande quivalente permet de maintenir le e syst`me en mode glissant sur la surface de commutation. Un second mode existe, e il sagit du mode dapproche. Dans cette phase, le syst`me volue vers la surface e e de commutation. La dynamique du mode dapproche est dnie par le vecteur de e commande commutant, dont lexpression est propre ` chaque auteur. a Les rsultats de simulation sont prsents pour les deux modlisations et pour e e e e un cycle de variation de la vitesse de rfrence. ee Une stratgie de commande utilisant le principe de discrtisation des rgulae e e teurs est mise en oeuvre. Il sagit de comparer les rsultats avec ceux obtenus e par discrtisation des rgulateurs dun asservissement linaire. Cette mthodologie e e e e usuellement adopte pour la synth`se de rgulateurs des modes mcaniques ` t e e e e aee 2

Introduction Gnrale e e gnralise de faon a tre employe galement pour la synth`se des rgulateurs e e e c e e e e e lis aux modes rapides lectriques. e e Enn, une stratgie mixte, qui utilise un rgulateur ` mode glissant discret pour e e a la rgulation de vitesse et des rgulateurs linaires discrets pour les modes rapides e e e lis aux ux est simule pour une modlisation en ux de la MADA. e e e Dans ces deux derni`res congurations, des rsultats de simulation sont prsene e e ts. e En dernier point, linuence des temps morts est analyse. e Le cinqui`me chapitre est consacr ` la ralisation pratique de la maquette e e a e exprimentale. Ce chapitre rappelle la conguration retenue et donne les caracte e ristiques techniques de la plupart de ces lments constituants. Ainsi les lments ee ee de la cha de puissance sont prsents : caractristique des deux machines lecne e e e e triques, la MADA et la MCC, caractristique des onduleurs de tension utiliss, e e caractristique des redresseurs. Dans un deuxi`me temps, le syst`me de commande e e e utilis est prsent. Il sagit dun syst`me bas sur la technologie DSP - FPGA. La e e e e e communication des cartes de commande entre elles, les langages utiliss sont ainsi e dtaills. Linterconnexion entre le syst`me de commande et les interrupteurs de e e e puissance est discute. e Enn des rsultats exprimentaux sont prsents. e e e e

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Chapitre 1 De ltat de lart au e positionnement de ltude e1.1 Introduction

Dans ce chapitre nous allons prsenter ltat de lart du domaine en regroupant e e lensemble des articles ou contenus douvrages, que nous avons choisis de slectione ner pour commencer notre tude. A chaque fois, nous tcherons de prsenter dans e a e quelle conguration de commande lauteur sest plac, quelle a t sa thmatique e ee e de recherche et si il y a eu ou pas une validation exprimentale. e Dans le bilan que nous prsenterons ensuite, nous donnerons les grands axes de e recherche vers lesquels nous avons souhait nous orienter ` la lueur de cette tude e a e bibliographique. Ensuite, nous situerons notre tude dans le contexte national et e international et nous tirerons les premi`res conclusions sur les avantages et les e inconvnients des Machines Asynchrones ` Double Alimentation (MADA) et de e a leurs stratgies de contrle. e o

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1. De ltat de lart au positionnement de ltude e e

1.21.2.1

Etat de lartPrsentation des tudes antcdentes e e e e

Nous allons prsenter trois catgories dtudes. Pour chacune de ces catgories, e e e e nous analyserons les tudes qui leur sont propres et tacherons de dgager pour e e chaque tude un certain nombre de crit`res qui nous serviront pour la dterminae e e tion et lorientation de notre tude. Dans un premier temps nous nous contenterons e de recenser pour chaque catgorie les tudes antcdentes et ce sans se soucier de la e e e e conguration ou du fonctionnement du syst`me. En eet, la dnomination Machine e e a ` double alimentation concerne aussi bien le fonctionnement en mode gnrateur e e que le fonctionnement en mode moteur et peut sadresser ` une multitude de cona gurations. Nous pourrons trouver dans [26] un recensement de certains articles parus sur la MADA classs suivant leur architecture. Dans chacune des classes, les e auteurs rappellent les quations fondamentales, et les principales applications. On e ne citera ici que les six grandes classes quils distinguent : MADA simple dont les enroulements statoriques sont connects ` un rseau e a e triphas, le rotor est reli ` son propre onduleur (Single Doubly Fed Induction e ea Machine). La gure 1.1 prsente un schma de principe de cette catgorie de e e e MADA. Enroulements statoriques Rseau e Triphas e

MADA

Arbre rotorique

Enroulements rotoriques aliments par un onduleur e Fig. 1.1: Schma de principe dune machine asynchrone ` rotor bobin. e a e MADA en cascade, deux MADA dont les rotors sont coupls lectriquement e e et mcaniquement. (Cascaded Doubly Fed Induction Machine). La gure 1.2 e prsente le schma de principe de deux machines asynchrones ` rotor bobin e e a e permettant dobtenir un syst`me ` double alimentation. Les enroulements e a statoriques sont relis ` deux sources de tensions triphases. e a e MADA cascade ` un rep`re, il sagit de deux machines ` cage dont laxe e a e a rotorique est identique. Les barres rotoriques sont croises entre les deux e machines. Une machine a son stator reli au rseau, lautre ` un onduleur. e e a (Single Frame Cascaded Doubly Fed Induction Machine). MADA sans balai, machine tr`s proche de la prcdente sauf que cette fois e e e ci, les deux enroulements statoriques appartiennent ` un circuit magntique a e commun. Le rotor est commun et ` cage dcureuil. (Brushless Doubly Fed a e Machine). Nous prsentons sur la gure 1.3 un schma de principe de ce type e e de machine. 5

1. De ltat de lart au positionnement de ltude e e Enroulements statoriques de la MADA1 Enroulements statoriques de la MADA2

Couplage mcanique e MADA1 MADA2

Couplage lectrique entre les enroulements rotoriques e Fig. 1.2: Schma de principe de deux machines asynchrones relis mcaniquement e e e et lectriquement par le rotor. e Enroulements statoriques 1 Enroulements statoriques 2

Rotor ` cage a dcureuil e

Fig. 1.3: Schma de principe de deux machines asynchrones relis mcaniquement e e e et lectriquement par le rotor. e A nouveau, nous avons deux alimentations triphases distinctes. e MADA ` rluctance, machine utilisant le principe dun rotor de moteur ` a e a rluctance variable. Elle est nomme Doubly Fed Reluctance Machine. e e MADA tandem (Tandem Induction Machine), machine possdant un rotor e a ` cage et deux enroulements statoriques. Un stator est xe tandis que lautre peut-tre tournant. e Nous pouvons donc constater que sous une dnomination commune, plusieurs e congurations et constructions de MADA sont concernes. e Les trois catgories dtude qui nous intressent sont les tudes traitant de e e e e stabilit, modlisation de la MADA e e tudes des formes des signaux e stratgie de commande. e 1.2.1.1 Stabilit et modlisation de la MADA e e

Nous regroupons ici toutes les tudes o` nous pouvons trouver une partie e u concernant la modlisation ou la stabilit. e e Nous trouverons chez M. POZA [52] une tude sur le dimensionnement et la e modlisation dune MADA sans balais. Cette machine est en fait compose de deux e e enroulements statoriques indpendants et dun rotor spcial. Le premier enroue e lement statorique est dit enroulement de puissance, et est directement connect e 6

1. De ltat de lart au positionnement de ltude e e au rseau, alors que lautre est dit enroulement de commande, et est pilot par e e un onduleur. Lintrt de telles machines est quelles assurent un fonctionnement ` ee a tr`s basse vitesse, permettant denvisager entre autre la suppression des rducteurs e e mcaniques. Elles ncessitent une maintenance plus facile du fait de la suppression e e du syst`me bague et balai. e Y. DIN [16] ainsi que S. WANG [72] dont les deux articles sont tr`s proches, e prsentent une tude de stabilit de la MADA base sur des simulations. La MADA e e e e a des enroulements statoriques relis au rseau, tandis que ces enroulements rotoe e riques sont connects ` un onduleur. La stratgie de contrle retenue est celle du e a e o champ orient. Les auteurs introduisent un courant magntisant directement proe e portionnel au ux dentrefer. Le rep`re tournant est align sur le ux dentrefer. e e Les auteurs montrent des rsultats de simulation prsentant des oscillations de ux e e lors des variations de charge. Ce ux se met ` osciller fortement en particulier en a mode moteur. Les auteurs dcident ensuite de rajouter une compensation de lose cillation du ux base sur une estimation de ce dernier. Les simulations prsentes, e e e montrent une nette amlioration de la rponse du ux mais aussi du couple. Ils e e pensent pouvoir ainsi amliorer la stabilit des gnrateurs bass sur la MADA par e e e e e exemple dans les applications visant lolien. e M. HELLER [24] voit en la MADA la solution du futur pour les industries de pompage. Il se propose dvaluer la stabilit dune MADA ` laide de la mthode des e e a e petites variations autour dun point de fonctionnement. Il se base sur un syst`me e dont le stator est connect au rseau et le rotor reli ` un onduleur et dont le e e e a contrle est assur par lorientation du ux statorique. Le mode de fonctionnement o e retenu est un fonctionnement moteur. La mthode des petites variations lui permet e de tracer le lieu des ples de son syst`me (il consid`re le courant magntisant o e e e statorique et le ux statorique). Il prsente ensuite des rsultats exprimentaux e e e raliss avec une machine de 33 kW. M. KELBER [32] reprend cette tude et la e e e poursuit en ajoutant une partie sur la commande du syst`me. e A. MASMOUDI [41], tudie les changes dnergie dans une MADA. Il consie e e d`re une MADA dans son cas le plus gnral cest ` dire quelle poss`de deux e e e a e alimentations variables et indpendantes, une au stator et une autre au rotor. Il se e place du point de vue de cet change nergtique dans lentrefer. Il dresse un bilan e e e de lchange nergtique entre les enroulements statoriques ou rotoriques pour un e e e fonctionnement en moteur, en gnrateur ou en frein. Lauteur propose une tude e e e sur la stabilit en analysant les valeurs propres de la matrice dynamique dcoulant e e de sa modlisation, en fonction de variations des param`tres lectriques. e e e M. POLOUJADOFF [50] propose de reprsenter les variations des variables e internes de la MADA sous forme de diagrammes circulaires . Il tudie le cas le plus e gnral dune MADA o` stator et rotor sont relis ` des onduleurs indpendants. e e u e a e Lauteur analyse les trajectoires des vecteurs complexes, tensions, ux, et courants, lors des rgimes transitoires. Cette dmarche lui permet ensuite de statuer sur les e e variations des courants en rgime permanent suivant direntes conditions et dans e e tous les types de fonctionnement. Lauteur insiste sur le fait que la reprsentae tion graphique des phaseurs permet de mieux apprhender le comportement de la e MADA. Il reprend les bases de cette tude dans [51] et y ajoute une tude sur la e e saturation de la MADA, toujours ` partir de lexpression de ces diagrammes cira culaires. Cette mthode graphique est utilise an de tracer une limite de stabilit e e e pour les valeurs propres du syst`me suivant le fonctionnement. e 7

1. De ltat de lart au positionnement de ltude e e A. TOUMI [61], tudie la stabilit dune MADA, notamment pour des applicae e tions oliennes. Apr`s avoir tabli un mod`le mathmatique de la MADA, il emploie e e e e e la mthode des petites variations pour linariser le mod`le. Ensuite, lauteur ape e e plique le crit`re de Routh an dobtenir des courbes de variations des coecients e du crit`re. Linuence de linertie ainsi que du rapport des tensions statoriques et e rotoriques sont tudis. e e Dans cette catgorie dtudes nous retiendrons principalement les tudes [41] e e e [50] [51] qui permettent davoir une reprsentation graphique de la MADA. e 1.2.1.2 Formes dondes des signaux dune MADA

Dans ce paragraphe, nous regroupons toutes les tudes qui traitent de qualit e e des signaux dune MADA. A nouveau, toutes les congurations de MADA pourront tre concernes. e e A. DITTRICH [17] propose dans son article de contribuer ` lamlioration des a e signaux dlivrs par une MADA en compensant les harmoniques de courant. Laue e teur sintresse ` une MADA dont chaque ct est connect ` un onduleur de e a oe e a tension. Lapplication vise par son tude est lolien. Un onduleur contrle la e e e o tension du bus continu, tandis que lautre plac au rotor assure le contrle de la e o puissance active. Il part de lide que le facteur de puissance est fondamental pour e le dveloppement de lexploitation de lnergie olienne et maritime. Il fait un tude e e e e thorique de la rduction des harmoniques des courants principaux par la mthode e e e de compensation des harmoniques dues ` des eets secondaires. Il constate par a exemple que des harmoniques de courants apparaissent ` cause des oscillations a du ux statorique. Des mesures ralises prouvant lecacit dune telle mthode e e e e peuvent aussi tre consultes. Les essais exprimentaux ont t ralis en laborae e e ee e e toire sur un syst`me comprenant une machine de 4 kW. e R. GHEYSENS [21] sintresse au fonctionnement dune MADA en mode ge e nrateur, dont les enroulements statoriques sont connects ` un rseau triphas. e e a e e Les enroulements rotoriques sont relis ` un cycloconvertisseur. Lauteur se proe a pose de comparer linuence dune alimentation en tension ou en courant sur le comportement de la MADA. Ensuite, il prsente les rsultats dune implantation e e en logique rapide pour une alimentation en courant. Dans son tude de linuence e du choix de lalimentation, il introduit la notion de trois couples dirents : un e couple asynchrone statorique, un couple asynchrone rotorique et un dernier couple d ` linteraction des deux sources (alimentation en tension du stator, et tension ua ou courant du rotor). La stratgie de contrle est occulte. Une srie de rsultats e o e e e exprimentaux est ensuite donne. Lexprimentation a eu lieu sur une machine de e e e 4.5 kW. M. YAMAMOTO [74] tudie une MADA dont le stator est reli au rseau tandis e e e que le rotor est connect ` un onduleur indpendant. Il utilise la mthode du champ ea e e orient appliqu au ux dentrefer et propose de contrler les puissances actives et e e o ractives statoriques indpendamment et de faon stable. Les applications concere e c nes par cette tude sont lhydrolectricit et lolien. Ensuite, lauteur assurent e e e e e que des harmoniques de courant dus ` lalimentation du rotor sont transmis au a stator. Cela a pour consquence de changer la frquence des signaux de ce dernier. e e Lanalyse harmonique des courants statoriques le prouve. Une tude exprimene e tale est propose an de corroborer cette armation. Les rponses temporelles des e e courants peuvent tre consultes. e e 8

1. De ltat de lart au positionnement de ltude e e Bien entendu, toutes ces tudes font appel ` des stratgies de pilotage qui sont e a e sous-jacentes. Elles sont places dans cette catgorie car nous avons pens que le e e e point majeur de ltude est leur conclusion qui dcoule dune analyse dun signal. e e 1.2.1.3 Stratgies de commande e

Cette catgorie dtudes est la plus riche au regard de notre mmoire. Eectie e e vement, comme nous devons dvelopper une stratgie de commande, nous avons e e t particuli`rement attentifs ` leurs contenus. ee e a D. ARSUDIS [4] tudie une MADA dont le stator est reli au rseau triphas e e e e et le rotor ` un onduleur de tension ` GTO, lui mme aliment par un redresseur a a e e de tension. Cet article propose ltude de la MADA en tant que gnrateur ` e e e a vitesse variable. Lauteur propose de contrler les puissances actives et ractives o e statoriques ` la fois en rgimes permanent et transitoire. La mthode de contrle a e e o adopte est celle du champ orient. Lauteur introduit un courant magntisant e e e statorique, lorientation du champ est ensuite choisie de faon ` caler la rotation du c a rep`re sur ce courant magntisant dni. Les courbes exprimentales prsentent les e e e e e puissances actives et ractives. Ces rsultats attestent des performances du contrle e e o propos. Les courbes exprimentales ont t obtenues sur un moteur de 22 kW. e e ee J. BENDL [6] tudie le contrle dune MADA dont le stator est reli au rseau et e o e e le rotor ` un onduleur indpendant. Il vise des applications destines ` la gnration a e e a e e dlectricit ` travers lhydraulique ou lolien. Lauteur propose dans cette tude e ea e e une nouvelle stratgie permettant un contrle indpendant des squences positives e o e e et ngatives des courants statoriques. Cela a pour consquence une immunit accrue e e e du facteur de puissance face aux perturbations du rseau et un contrle plus exible e o pour chacun des trois courants statoriques. Seuls des rsultats de simulation des e courants, tensions et puissances statoriques et rotoriques sont donns. Ils attestent e des bonnes performances du contrle adopt. o e R. DATTA [15], fait une comparaison des performances dune MADA utilise e en gnratrice. Cette tude concerne une MADA dont les enroulements statoriques e e e sont relis ` un rseau triphas, tandis que les enroulements rotoriques sont connece a e e ts ` un onduleur de tension. Cette tude se place dans le contexte de la gnrae a e e e tion lectrique dans les syst`mes oliens. Lauteur compare cette solution aux deux e e e autres envisageables : 1. solution ` vitesse variable avec une machine asynchrone ` cage a a 2. solution ` vitesse xe avec une machine ` cage. a a La comparaison est eectue sur les crit`res suivants : complexit du syst`me ` e e e e a mettre en oeuvre, zones de fonctionnement, et quantit dnergie disponible ` la e e a sortie. La conclusion de cet article est que le syst`me le plus simple ` mettre e a en oeuvre est le syst`me ` vitesse variable utilisant une MADA. Lauteur constate e a quen mati`re de rcupration dnergie, la MADA est meilleure que les deux autres e e e e solutions grce au maintien de son couple maximal sur une plus grande plage de a vitesse. Un autre avantage mis en relief est la rduction de la puissance donc du e prix des convertisseurs ` mettre en oeuvre. a D. FORCHETTI [20], consid`re une MADA dont le rotor est connect ` un e e a onduleur. Le stator est par consquent reli au rseau triphas. Ltude se focalise e e e e e sur un fonctionnement en mode gnrateur de la MADA. Il propose un contrle e e o vectoriel bas sur lorientation du ux statorique. Les deux variables de contrle e o 9

1. De ltat de lart au positionnement de ltude e e sont les deux courants rotoriques (direct et en quadrature), et les variables de sortie sont, la frquence et lamplitude de la tension statorique. Des rsultats exprimene e e taux sont ensuite prsents. Les courbes des tensions et courants statoriques sont e e prsentes et commentes. Les test exprimentaux ont t raliss sur une machine e e e e ee e e de 5.5kW. R. GHOSN [22], [23] consid`re le cas dune MADA fonctionnant en mode moe teur dont le stator et le rotor sont relis ` deux onduleurs dirents. Ils sont eux e a e mmes relis ` un redresseur commun. Dans son mmoire de th`se, il se xe deux e e a e e objectifs : 1. premi`rement, assurer une rpartition des puissances entre le stator et le e e rotor, 2. deuxi`mement, mettre en oeuvre une stratgie de contrle ` orientation de e e o a ux statorique. An de parvenir ` son deuxi`me objectif, il introduit un courant magntisant, fruit a e e de laddition dun courant rotorique et dun courant statorique. Compte tenu du fait que cette fois ci les deux cots de la machine sont aliments par deux alimentations e e indpendantes, les quations de transfert rsultantes pour les courants sont du type e e e deuxi`me ordre. Les termes de couplage, indispensables ` compenser, sont simples e a et dnis ` partir du fonctionnement en rgime permanent. An de pouvoir valider e a e lensemble de sa stratgie, il applique le principe de rpartition des puissances aux e e mod`les de contrle proposs par MOREL,[43], et par LECOCQ, [36], et compare e o e ainsi les rsultats de simulation obtenus. e La deuxi`me partie de son mmoire propose une nouvelle stratgie dobservation e e e de la vitesse base sur la mthode MRAS (Model Reference Adaptive System). Il e e prsente enn en derni`re partie une tude exprimentale de son travail ralis sur e e e e e e une maquette de 1.5 kW de la socit ALSTOM de Belfort. ee W. HOFMANN [25] fait une tude des variables de la MADA dont les enroulee ments statoriques sont connects au rseau tandis que les enroulements rotoriques e e sont relis ` un onduleur. Il propose une application olienne (fonctionnement gne a e e e rateur de la MADA) et par consquent une courbe de couple mcanique disponible e e en fonction de la vitesse. Il part de lhypoth`se que sa machine est pilote par e e un contrle vectoriel bas sur lorientation du ux statorique. Il analyse par les o e simulations des variations des courants, des pertes et des ux. Il dmontre que son e contrle, qui doit minimiser les pertes, est performant. o B. HOPFENSPERGER [28], propose ltude dune MADA dont les enroulee ments statoriques sont relis ` un rseau triphas, le rotor est alimente par un e a e e e onduleur. Il se place dans un fonctionnement en mode moteur et vise des applications ncessitant une variation de vitesse de rotation. Il adopte une stratgie e e de contrle de type champ orient. Lorientation du rep`re est choisi suivant le o e e ux statorique. Il se propose ensuite de montrer quelques rsultats exprimentaux e e avec et sans capteur de position. Il est particuli`rement intressant de constater que e e lauteur propose deux faons de dterminer langle de rotation du rep`re tournant : c e e 1. la premi`re est bas sur la mesure et lexpression des courants statoriques e e dans un rep`re tournant, e 2. la deuxi`me ncessite la mesure des puissances active et ractive statoriques. e e e Dans [27], il propose ltude de deux machines asynchrones ` rotor bobin dont les e a e axes rotoriques sont coupls ` la fois mcaniquement et lectriquement entre eux e a e e 10

1. De ltat de lart au positionnement de ltude e e (principe de la cascade hypo ou hyper synchrone). Dans cet article, lauteur explore une faon de contrler ce syst`me en essayant de satisfaire les principes gnraux c o e e e du contrle vectoriel : rfrence de couple, de vitesse, de puissance active et de o ee puissance ractive. Des rsultats exprimentaux peuvent tre consults. Il sagit e e e e e des courbes exprimentales des variations de vitesse, des courants statoriques et e des puissances active et ractive statoriques. e Dans un autre article [29], lauteur reprend ltude prcdente mais en appliquant e e e cette fois ci la thorie du champ orient au ux commun rotorique alors que dans e e ltude prcdente il avait choisi un ux statorique. A nouveau, des rsultats exe e e e primentaux sont prsents. Il sagit des courbes exprimentales des variations de e e e e vitesse, des courants statoriques et des puissances active et ractive statoriques. e Ltude de Y. KAWABATA [31] est tr`s proche de la conguration que nous soue e haitons tudier, le stator et le rotor de sa MADA sont connects ` deux onduleurs e e a indpendants Les deux onduleurs de tension sont aliments par deux redresseurs e e indpendants. Le mod`le global dans lespace dtat de la machine dans un rfe e e ee rentiel quelconque est donn. Les courants sont les variables dtat et les tensions e e dalimentation composent le vecteur de commande. Ce qui est ensuite remarquable, cest que lauteur va simplier son mod`le dtat de faon a faire appara des e e c tre termes coupls et dautres dcoupls. Pour cela il arrive ` exprimer son premier moe e e a d`le dtat en plusieurs vecteurs facteurs de deux matrices particuli`res : la matrice e e e unit et une matrice appele J, matrice unit antidiagonale. Il en dduit que tous e e e e les lments multiplis par la premi`re matrice ne font pas appara de couplage ee e e tre entre les axes de son rep`re tournant, alors que ceux multiplis par la deuxi`me (J) e e e prsentent des couplages entre axes. Par un jeu de simplication bas sur lanalyse e e prcdente, il tablit un mod`le dtat o` un courant magntisant et un courant e e e e e u e contrlant le couple apparaissent pour chaque cot de la machine et peuvent tre o e e contrls indpendamment. Des courbes exprimentales de lasservissement ralis oe e e e e a ` partir de cette modlisation viennent appuyer ces dmonstrations. Lauteur pre e e sente les courbes de rponse de la consigne de vitesse applique et des courants. e e La validation exprimentale a t mene sur une machine de 0.75 kW e ee e Z. KRZEMINSKI [35] prsente une mthode de contrle dune MADA sans e e o capteurs. Nous sommes encore dans le cas o` les enroulements statoriques de la u machine sont relis ` un rseau triphas tandis que le rotor est reli ` un onduleur. e a e e ea Lauteur saranchit de la mesure par capteur des courants rotoriques car il utilise la mthode PLL (Phase Locked Loop) qui lui permet de synchroniser la phase e des courants rotoriques sur celle des tensions statoriques. Deux dirents types e de contrles sont ensuite appliqus, il sagit dabord dun contrle des courants o e o rotoriques par hystrsis et ensuite de lutilisation dun rgulateur de courant de ee e type prdictif. Il compare ensuite les rsultats de ces deux mthodes de contrle e e e o par simulation et exprimentation. Les rsultats exprimentaux prsents sont les e e e e e courbes de rponses des puissances actives statoriques et rotoriques. Les rsultats e e sont bien entendu tr`s satisfaisants pour les deux types de contrle avec tout de e o mme des rsultats sensiblement meilleurs pour le contrle prdictif des courants. e e o e D. LECOCQ [36] [38] prsente des rsultats de simulations dune MADA dont le e e stator et le rotor sont connects ` des onduleurs indpendants. Il propose dadopter e a e la thorie du champ orient appliqu au ux statorique. Il choisit donc dimposer e e e la vitesse, le ux, le facteur de puissance et le glissement. Il prtend pouvoir les e contrler ` la fois, en rgimes permanent et transitoire. Dans [37] lauteur explique o a e 11

1. De ltat de lart au positionnement de ltude e e comment procder ` un contrle indirect du ux du mme syst`me. Il part du e a o e e principe que la MADA ore quatre degrs de libert : le ux, le couple, la frquence e e e rotorique, et le facteur de puissance. Il choisit alors le ux dentrefer et introduit un courant magntisant. Celui ci est proportionnel au ux dentrefer. Ensuite, e il formule les trois autres relations liant les courants avec une des grandeurs ` a contrler. Il dnit les quatre rgulateurs de courant ` mettre en oeuvre. Des o e e a rsultats exprimentaux sont prsents, il sagit des rponses du ux statorique, de e e e e e la vitesse, et des tensions et courants statoriques. M. MACHMOUM [39] propose une tude des performances dune MADA en e rgime permanent. Son tude sinscrit dans le cadre des applications ` vitesse e e a variable, que le fonctionnement soit en moteur ou en gnrateur. Il sagit dune e e MADA dont le stator est reli au rseau et le rotor ` un cycloconvertisseur consie e a dr comme une source de courant. Pour la stratgie de commande, lauteur choisit ee e daligner laxe d de son rep`re tournant avec le courant rotorique. Il souhaite ene suite contrler les courants rotoriques et langle de dphasage de la tension stator o e par rapport a son rep`re, il le nomme angle de charge. Lexpression analytique du ` e couple peut alors tre scinde en deux parties, une partie due au courant rotorique e e et lautre due ` linteraction entre les alimentations stator et rotor. Les rsultats exa e primentaux qui prsentent les rponses du courant rotorique en fonction de langle e e e de dcalage en rgime permanent, permettent de conclure quune alimentation en e e courant est prfrable pour le contrle de la MADA. ee o Dans une autre tude tr`s proche, [40], lauteur se focalise sur une alimentation e e en tension au rotor. Le mod`le ainsi obtenu est simple dutilisation et minimise le e nombre de param`tres ayant une inuence sur ltat en rgime permanent de la e e e MADA, par rapport ` une alimentation en tension. Cette fois, le rep`re tournant a e est associ au vecteur tension statorique. Une analyse de lexpression analytique e du couple en rgime permanent permet de constater que le couple dpend de trois e e param`tres : le glissement, le ratio entre les amplitudes des tensions statoriques et e rotoriques, et le dphasage entre les deux sources de tensions. Des rsultats de sie e mulations sont prsents. Il sagit des courbes de variation du couple, des courants e e statoriques et rotoriques en fonction des direntes valeurs que peuvent avoir les e param`tres dnis : le rapport des tensions, langle de dphasage entre le vecteur e e e tension statorique et le vecteur tension rotorique, etc... L. MOREL [43] fait ltude dune MADA dont le stator est reli au rseau et e e e le rotor ` un onduleur. Il assure quune telle disposition permet de dimensionner a la puissance du convertisseur utilis au rotor ` 20% de la puissance mcanique e a e maximale. Il propose deectuer un contrle de type champ orient. An dobtenir o e un moteur ou un gnrateur ` vitesse variable il propose de passer par trois phases e e a direntes pour amener la vitesse du moteur de zro ` sa vitesse nominale : mode e e a I, on dmarre le moteur avec les enroulements statoriques en court-circuit, mode e II, on connecte le stator sur le rseau, mode III, la MADA est alimente ` tension e e a et frquence xe au stator et par un convertisseur au rotor. Le fonctionnement du e syst`me durant les dirents modes est dmontr avec validation par des rsule e e e e tats exprimentaux. Il sagit des rponses en vitesse de la MADA, des courbes de e e rponse des courants et des tensions rotoriques. e R. PENA [44] tudie une MADA fonctionnant en gnrateur dont les enroulee e e ments statoriques sont relis ` un rseau triphas, et dont les enroulements rotoe a e e riques sont relis ` un onduleur. La charge mcanique entra e a e nant le rotor est un 12

1. De ltat de lart au positionnement de ltude e e moteur diesel. Il propose dadopter un contrle indirect du ux statorique via un o courant magntisant lui mme rgul par les courants rotoriques. Loriginalit de e e e e e ltude rside dans le fait que lauteur tente dutiliser le moins de carburant pose e sible en rgulant la vitesse de lensemble suivant une courbe optimale de vitesse en e fonction de la charge. Une rgulation de type oue est alors utilise pour la boucle e e de rgulation de vitesse. Des rsultats de simulation qui prsentent les rponses de e e e e la vitesse, des courants ou, de la consommation de carburant, attestent du bon comportement de lensemble. Cet article sinscrit dans la notion de contrle en vue o doptimisation globale du syst`me. e S. PERESADA [45], [46] prsente ses travaux de recherche portant sur une e MADA dont les enroulements statoriques sont relis au rseau, le rotor est quant e e a ` lui connect ` un onduleur de tension. Lauteur place son tude dans le contexte ea e dun fonctionnement en mode gnrateur. Il propose de faire une rgulation asympe e e totique des puissances active et ractive statoriques par le biais dune rgulation e e des courants actif et magntisant statoriques. Il se place dans un rep`re toure e nant li ` la tension statorique. Pour rester dans le cas le plus gnral possible, il ea e e prcise quil ne ngligera pas les termes rsistifs. Il dmontre ` travers des tests e e e e a exprimentaux et des simulations que le syst`me est robuste face ` des variations e e a paramtriques et face ` une erreur de la mesure de la position mcanique du rotor. e a e Il conclut en prcisant que pour lui ce syst`me est aussi bon dans la gnration e e e e dnergie que pour la traction ` condition que les domaines de vitesse soient tr`s e a e proches de la vitesse de synchronisme. G. PODDAR eectue dans [48] une tude tr`s similaire celle que nous pensons e e mener : il consid`re un syst`me dont le stator et le rotor sont connects ` des one e e a duleurs indpendants, le fonctionnement moteur est dabord envisag. Il propose e e de contrler deux courants statoriques avec la mthode du champ orient, tandis o e e quune loi statique V/f sera implante au rotor permettant ainsi de contrler le ux e o et la pulsation rotorique. Il prsente aussi une nouvelle loi de frquence permettant e e une indpendance de la rponse du syst`me vis ` vis des variations paramtriques. e e e a e Il conclut en dmontrant que le double de la puissance nominale du moteur est e atteint pour une vitesse de rotation de la machine valant le double de la vitesse nominale. Des rsultats exprimentaux sont prsents. Nous pourrons ainsi consulter e e e e les courbes de rponse des ux statoriques, des courants statoriques et rotoriques e ainsi que de la vitesse pour dirents couples de charge. e F. POITIERS [49], tudie une MADA en vue de lappliquer ` des syst`mes de e a e type olien. Les enroulements statoriques sont donc connects sur le rseau triphas e e e e tandis que le rotor est reli ` un onduleur. An dtablir une commande de type ea e vectorielle, lauteur propose dutiliser un rfrentiel tournant li au ux statorique. ee e Ltude porte ensuite sur la comparaison entre un correcteur de type PI classique et e un correcteur de type RST. Ces correcteurs sont mis en oeuvre de faon ` contrler c a o les variables essentielles du syst`me ` savoir : le ux statorique et le couple. Les e a simulations eectues permettent danalyser les rponses temporelles des variables. e e Les crit`res qui permettent danalyser ces rponses sont la recherche de la puissance e e active optimale, ladaptation face ` une variation de vitesse brutale, la robustesse a face aux variations des param`tres lectriques. Les rponses donns par les deux e e e e rgulateurs sont ainsi compares. Les conclusions dvoilent que les deux types de e e e rgulations conduisent ` des rsultats quivalents. Le rgulateur RST donne des e a e e e meilleurs rsultats en terme de robustesse vis ` vis des variations paramtriques, e a e 13

1. De ltat de lart au positionnement de ltude e e que celles-ci soient mcaniques ou lectriques. e e Ltude que prsente D. RAMUZ [53] porte sur une MADA dont les enroulee e ments statoriques et rotoriques sont aliments par deux onduleurs indpendants. e e Lauteur propose dutiliser cette conguration pour un fonctionnement moteur dans des applications telles que la traction o` la premi`re transformation de lacier. u e An de contrler sa MADA, lauteur utilise un contrle vectoriel ` orientation o o a de ux. Dans un premier temps il prsente des rsultats exprimentaux avec un e e e contrle bas sur un rep`re tournant li au ux statorique, dans un deuxi`me o e e e e temps, le contrle est bas sur une orientation du rep`re suivant le ux dentrefer. o e e Les rsultats prsents sont la vitesse, les courants statoriques et rotoriques. Ces e e e rsultats exprimentaux ont t obtenus sur une maquette dont le moteur a une e e ee puissance de 1.5 kW. A. SAPIN, [57], utilise un onduleur trois niveaux du ct rotorique de la MADA oe dont les enroulements statoriques sont relis au rseau. Londuleur multiniveaux e e (NPC) va piloter la machine en vue de lappliquer aux usines de pompage et dextraction. Les principaux avantages que prsente lauteur pour valider sa proposition e sont : la rduction du nombre de transformateur ` utiliser, e a lutilisation dun onduleur ` trois niveaux avec un facteur de puissance unia taire (cos() = 1). Les rsultats de simulations des rgimes transitoires montrant les courants, les e e tensions, le couple et la vitesse appuient ces conclusions. A. M WALCZYNA, [70], tudie une MADA dont les enroulements statoriques e sont connects ` un rseau triphas et le ct rotorique ` un onduleur de tension e a e e oe a contrl en courant. Lauteur sintresse ` des application pour la gnration dneroe e a e e e gie lectrique. Il prsente les rsultats de simulations des dynamiques des courants e e e dune MADA. Il adopte un contrle de type champ orient, le rep`re tant li sur o e e e e la tension statorique. Lauteur choisit de travailler dans lespace dtat en adoptant e le ux stator et le courant rotor comme variables dtat. Les variables ` contrler e a o sont le couple, et la puissance ractive statorique. Pour A.M WALCZYNA, line trt principal dun contrle en courant de la MADA rside dans le fait que le ee o e couple ne dpend plus de la vitesse ou du glissement mais dpend uniquement de e e lamplitude et de la frquence des courants rotoriques. Quelques exemples exprie e mentaux viennent conrmer la simulation. Il sagit des rponses de la vitesse, des e ux statoriques, rotoriques et dentrefer ainsi que des courants. Dans une autre tude, [71], lauteur reprend ltude prcdente en modlisant la mae e e e e chine dans un rep`re tournant li ` la tension rotorique. Il arme que la structure ` e ea a commander est ainsi plus simple. An damliorer les performances dynamiques et e statiques de la MADA, lauteur propose lanalyse de linuence du couplage d aux u courants de laxe oppos, au sein des termes de compensation relatifs aux quations e e rotoriques. Une comparaison est ensuite faite par rapport ` ses prcdents travaux. a e e S.WANG, [72], prsente les rsultats de simulation dune MADA dont les ene e roulements statoriques sont connects ` un rseau triphas. Le bobinage rotorique e a e e est aliment par un onduleur de tension. Lauteur envisage dappliquer son tude ` e e a un fonctionnement moteur ou gnrateur ` vitesse variable. La stratgie de contrle e e a e o retenue pour cette tude est de type champ orient, le rep`re tournant tant orient e e e e e suivant le ux dentrefer. Un courant magntisant ` contrler est ainsi introduit. e a o Lauteur propose une mthode de compensation des oscillations de ux permettant e 14

1. De ltat de lart au positionnement de ltude e e damliorer les performances dynamiques du syst`me. Il dnit une relation liant e e e la drive du ux dentrefer au courant rotorique dans laxe d. Il constate que la e e dynamique de ce courant inuence la dynamique du ux, il propose donc dagir l` a dessus an de compenser les oscillations de ux observes. e L. XU, [73], fait ltude dune MADA dont seul le ct rotorique est reli ` un e oe ea onduleur indpendant. Le ct statorique est reli au rseau triphas. Il propose e oe e e e une stratgie de commande originale sans capteur de position mcanique du rotor. e e Lauteur eectue un contrle des courants rotoriques. La stratgie de commande o e retenue est de type champ orient, le rep`re tournant est choisi de faon ` tre li au e e c ae e ux dentrefer. La position angulaire du rotor est obtenue par une expression faisant intervenir les courants et tensions rotoriques mesurs. Des courbes exprimentales e e viennent corroborer les rsultats de simulations prsents. Il sagit des courbes de e e e vitesse, de puissance ractive et bien entendu une courbe de comparaison entre e langle mcanique estim et mesur. e e e Dans ce panel darticles traitant de stratgies de commande pour toutes les e congurations de MADA, il nous semble important de retenir les articles [22], [31], [36] et [38]. Ils traitent dune conguration de MADA ` deux onduleurs de tension. a Les stratgies de commande sont dans trois cas des contrles vectoriels et dans le e o dernier cas un retour dtat. e 1.2.1.4 Articles gnraux e e

Nous prsentons dans ce paragraphe des articles plus gnraux ou traitant de e e e conguration en plein essor. P. BAUER, et ses coauteurs [5] font un tat de lart du gnie lectrique utilis e e e e lors de la construction dune olienne. Un paragraphe est consacr ` ltude des e e a e dirents types de gnrateurs utiliss. Concernant la MADA deux variantes sont e e e e prsentes : le syst`me de Kraemer, ou syst`me consommateur de puissance ractive e e e e e et le syst`me classique dune MADA fonctionnant en gnratrice,. Cette derni`re e e e e est quip dun syst`me de contrle de la puissance ractive de sortie. Dans les e e e o e deux cas, le stator de la machine est connect au rseau. Les auteurs concluent que e e de toutes les motorisations possibles prsentes, aucune nest pour linstant idale e e e et pensent que les gnrateurs asynchrones ` rotor bobin ont tr`s peu davenir e e a e e face ` leur concurrents : les gnrateurs ` aimants permanents. Cette tude bien a e e a e que pessimiste pour les MADA a le mrite de dresser un tableau des possibilits e e qui sorent ` un industriel voulant construire une olienne. Chaque possibilit a e e technique est commente avec ces avantages et ces inconvnients. e e Ltude suivante fait partie de ces tudes parall`les. Elle propose dutiliser e e e une conguration de MADA pas encore gnralise pour venir remplacer la cone e e guration ` un onduleur connect au ct rotorique. F. BLAZQUEZ [8], prsente un a e oe e nouveau type de gnrateur pour les applications oliennes, il sagit dune MADA e e e sans balai. Cette machine est en fait compose de deux enroulements statoriques e indpendants et dun rotor spcial. Le premier enroulement statorique est dit ene e roulement de puissance, et est directement connect au rseau, alors que lautre est e e dit enroulement de commande, et est pilot par un onduleur. On parle de machines e doubles toiles. Lintrt de telles machines est quelles permettent un fonctionnee ee ment ` tr`s basse vitesse, et donnent la possibilit denvisager la suppression des a e e rducteurs mcaniques. La maintenance mcanique devient plus facile du fait de la e e e suppression du syst`me bague - balai. Les auteurs pensent que cette solution tr`s e e 15

1. De ltat de lart au positionnement de ltude e e prometteuse pourrait remplacer la solution classique ` rotor bobin, notamment a e dans le cadre de la rgnration des centrales hydrolectriques deurope du nord. e e e e Nous avons voulu dans ce paragraphe prsenter deux tudes dignes dintrt, la e e ee premi`re parce quelle relativise les rsultats et les applications envisageables avec e e les MADA, la deuxi`me parce quelle propose une solution alternative base sur e e une machine ` double alimentation. a

1.2.2

Conclusions

En mati`re de MADA, on peut dire ` la lueur de cette tude bibliographique, e a e que ce terme regroupe normment de sujets. Nous avons pu, ` travers cet chane e a e tillonnage de 30 ans de publications sur la MADA, apprcier ` quel point elle e a est dclinable. On comprend aisment pourquoi d`s les premi`res tudes on la e e e e e surnomme machine gnralise. Il ressort tout de mme de cette vue bibliograe e e e e phique que les tudes entreprises sur cette machine ont majoritairement concern e e un fonctionnement en mode gnrateur avec une vise sur les applications oliennes. e e e e Une premi`re catgorie dtude (au del` des congurations syst`mes envisae e e a e geables) porte sur la notion de stabilit, et de modlisation de la MADA. e e La seconde catgorie, concernent les publications traitant des tudes des contenus e e harmoniques des formes dondes, de ltrage de courants ou de tensions, conduisant ` une meilleure qualit de contrle. Dans ces tudes, la notion de stratgie de a e o e e contrle est sous jacente et ne fait pas pleinement partie de lobjet de la publicao tion, contrairement ` la derni`re catgorie dtude. a e e e Enn la troisi`me catgorie dtude a fait balayer par les auteurs un maximum de e e e stratgies de commandes an de piloter la MADA en vue datteindre des objectifs e divers. Que ce soit en fonctionnement moteur ou gnrateur, il nest pas rare e e de rencontrer comme objectif le contrle de ltat magntique de la machine, ou o e e lassurance dune certaine qualit de signal sur un de ses cts. e oe Enn nous avons prsent deux articles portant ` controverse sur les MADA. Le e e a premier assure quen mati`re de construction olienne, la MADA va tre supplente e e e e par les machines ` aimants permanents, et la seconde a anticip ce revirement a e et propose une MADA dont la construction est lg`rement dirente (Fig. 1.2.1). e e e Cette nouvelle MADA serait un palliatif pour ne pas se dtourner des machines e a ` double alimentation. Ces trois catgories de sujets darticles ou de mmoires e e sadressent aux direntes congurations possibles dune MADA. Eectivement un e grand nombre de solutions techniques ont dj` t explores. Nous allons exclure eaee e un grand nombre de congurations pour nous concentrer sur les deux congurations majeures de la MADA. On notera en eet, que se sont les deux congurations que lon trouve majoritairement. Les autres congurations peuvent tre considres e ee comme marginales, ` une exception pr`s la MADA ` double toile stator (1.2.1). a e a e La premi`re solution que lon rencontre frquemment est une solution famili`re. e e e Elle consiste en une MADA dont le stator est reli au rseau tandis que le rotor est e e connect ` un onduleur indpendant. On trouvera sur la gure 1.4, une description ea e gnrique rcapitulant la conguration des syst`mes utilisant cette conguration. e e e e Cr est le couple rsistant, Cem le couple lectromagntique et la vitesse. e e e Majoritairement, les applications vises par les auteurs sont les futures fermes e oliennes, cest ` dire un fonctionnement en mode gnrateur. Pourtant quelques e a e e 16

1. De ltat de lart au positionnement de ltude e e Rseau triphas e e

MADA Cem , Redresseur Onduleur Cr

Convertisseurs rotoriques e e e e e Fig. 1.4: Schma gnral dun syst`me utilisant une MADA alimente par un seul onduleur. auteurs sugg`rent cette solution pour un fonctionnement moteur. Les applications e vises sont le pompage, le forage ou lextraction. Mais dans lensemble, peu daue teurs ont rellement tudi un fonctionnement moteur avec cette conguration, e e e mme si tous arment que le fonctionnement est rversible. Nous pouvons conclure e e que cette conguration est prdestine ` un fonctionnement gnrateur. e e a e e La stratgie de contrle adopte est quasi systmatiquement un contrle vectoe o e e o riel. Deux auteurs, pourtant se dtachent. Lun fait un contrle par fourchette de e o courant, [35], et lautre ralise un contrle en se basant sur lasservissement des e o squences positives ou ngatives de courant, [6]. e e Dans la majorit des cas, le rep`re tournant ncessaire au contrle vectoriel, est e e e o li au ux statorique ou ` la tension statorique. Quelques articles traitent le proe a bl`me ` partir dune orientation du ux dentrefer, et enn dautres sintressent e a e aux autres orientations possibles. Ainsi, le rep`re tournant peut-tre align avec : e e e un courant rotorique, un courant magntisant statorique ou rotorique, une tension e rotorique ou un ux rotorique. Pratiquement dans tous les exemples les auteurs choisissent leur jeu de rfrence de variables en fonction de crit`res lis ` la ee e e a puissance : contrle de la puissance active ou ractive. Il sagit bien entendu des o e puissances renvoyes sur le rseau, donc du ct des enroulements statoriques. e e oe On peut ici encore conclure que cette MADA na t teste quavec des contrles ee e o vectoriels, dans le but de ma triser les changes dnergie et notamment les transe e ferts de puissances active et ractive envoyes sur le rseau. Majoritairement, le e e e principe de dcouplage entre le ux et le couple nest assur quen rgime permae e e nent. Lhypoth`se consistant ` ngliger les rsistances des enroulements statoriques e a e e est adopte. Il ny a donc pas de contrle direct du ux, sa valeur et orientation e o dpend de la qualit du rseau auquel sont connect les enroulements statoriques. e e e e Il faut tout de mme prciser que dans cette conguration, beaucoup dauteurs e e orientent leurs travaux sur la modlisation et la caractrisation des phnom`nes e e e e oliens, courbes de puissance ` extraire en fonction de la vitesse de vent, plutt e a o que sur le contrle pur des variables de la MADA. o Enn, il est intressant de noter que la plupart des articles que lon peut trouver e 17

1. De ltat de lart au positionnement de ltude e e sur cette conguration font une comparaison entre leurs rsultats exprimentaux e e et ceux obtenus par simulation. Cette conguration fait lobjet de beaucoup de publications et de communications : 80% des articles portant sur les machines ` a double alimentation. La deuxi`me solution, consiste en une MADA dont les deux cots, stator et e e rotor, sont aliments par des onduleurs de tension. Elle peut prendre deux formes e quivalentes : e deux onduleurs aliments en parall`le par un redresseur commun, ce dernier e e est donc une source dalimentation commune aux deux cts, oe deux onduleurs aliments par leurs propres redresseurs. Dans ce cas, cest le e rseau qui est la source du couplage lectrique existant entre les deux cts. e e oe Nous trouverons sur la gure 1.5 un schma gnrique de cette structure. e e e

Onduleur statorique Onduleur rotorique

MADA Cem ,

Cr

e e e e e Fig. 1.5: Schma gnral dun syst`me utilisant une MADA alimente par deux onduleurs de tension. Comparativement ` la solution classique, peu darticles traitent dune conguraa tion dune MADA avec deux onduleurs. Les quelques articles que lon peut trouver peuvent tre qualis darticles de rfrence et tentent de traiter la modlisation, e e ee e la stabilit de cette conguration, le contrle etc. . .[50], [36], [31]. Les auteurs nont e o pas tranch sur le fonctionnement type que pourrait avoir cette solution, moteur ou e gnrateur. Tr`s peu dapplications sont nommes ou vises directement. Pourtant, e e e e e les applications exigeant une vitesse variable sont souvent sous jacentes. Dans les articles traitant de stratgies de contrle dune telle conguration, le e o contrle vectoriel est celui que lon rencontre le plus couramment, il semble avoir o t adopt par tous. Le ux statorique semble tre la variable conventionnelle pour ee e e lorientation du rep`re tournant. Seul un article aborde le probl`me en choisissant e e une orientation du ux dentrefer, [37]. Le formalisme dans lespace dtat tend ` e a se gnraliser. Un auteur tente dailleurs de piloter cette machine par les stratgies e e e de type retour dtat, [31]. La vitesse, le ux, les puissances active et ractive sont e e les variables que lon souhaite asservir le plus frquemment. e Pour ce qui est de la partie exprimentale de ces tudes, il faut avouer que la plue e part des auteurs sont assez vagues sur les tests quils ont rellement raliss. On e e e a limpression que par la faute du peu dapplications vises, cette conguration e na pas t lobjet de beaucoup dtudes exprimentales. Les stratgies utilisant ee e e e 18

1. De ltat de lart au positionnement de ltude e e des rgulateurs polynmiaux (RST), la technique Direct Torque Control, ou du e o mod`le interne, etc. . .nont t que tr`s peu explores. e ee e e Cette conguration trouvera-telle des applications pour lesquelles elle deviendrait indispensable ? Saura-telle venir empiter sur les plates-bandes de la machine e asynchrone ` cage dcureuil dans le domaine de la vitesse variable ? Quel contrle a e o mettra en valeur toutes les possibilits dune telle conguration ? e

1.3

Choix de la cha de puissance retenue ne

Nous donnons deux schmas gnriques de la cha de puissance possible ` e e e ne a tudier avec une MADA alimente par deux onduleurs. Un schma dtaillant la e e e e structure utilisant deux onduleurs et deux redresseurs est donn sur la gure 1.6. e Rseau triphas e e Convertisseurs statoriques

MADA Redresseur Onduleur Cem , Cr

Convertisseurs rotoriques Fig. 1.6: Schma gnral utilisant deux redresseurs alimentant deux onduleurs e e e Cette structure est videmment la structure la plus gnrale du syst`me. Les deux e e e e redresseurs ont une source dalimentation commune qui est le rseau triphas. e e Un autre cas de gure est une structure tr`s similaire ` la prcdente ` la die a e e a e rence quil ny a quun seul redresseur. Le redresseur utilis est alors dimensionn e e pour donner plus de puissance. Cela sous-entend que les deux onduleurs ont une source dalimentation en nergie commune, le bus continu. Le schma est prsent e e e e sur la gure 1.7. Nous avons apparemment le choix entre les deux congurations de puissance. Lors de la ralisation exprimentale, nous nous sommes aperu que la deuxi`me struce e c e ture (un redresseur commun) fait appel ` une hypoth`se sous jacente et implicite : a e les deux cots de la machine doivent tre dimensionns de faon identiques. Cest e e e c a ` dire que le rapport de transformation de la machine, que lon pourrait ici dnir e comme le rapport de la tension statorique sur la tension rotorique, doit tre tr`s e e proche de un. Si ce ntait pas le cas, dans un fonctionnement avec un modulateur e a ` largeur dimpulsion, un cot, (faible tension) se verrait appliquer des niveaux de e tensions trop leves par rapport ` son dimensionnement. Nous pouvons donc imae e a giner que les conducteurs, fortement sollicits au niveau de leur tenue en tension, e auraient un vieillissement prmatur, voir immdiat. e e e

19

1. De ltat de lart au positionnement de ltude e e Rseau triphas e e Redresseur et bus continu commun

Onduleur statorique

MADA Cem ,

Fig. 1.7: Schma gnral utilisant un seul redresseur alimentant deux onduleurs e e e en parall`le e Un autre argument est que les constructeurs de machines lectriques ne proe posent pas dans leurs catalogues standards, de machine ayant un rapport de transformation proche de lunit. Il sagit systmatiquement dune commande spcique, e e e avec videmment les consquences que cel` peut avoir sur le cout global de la mae e a chine. De plus, la plupart des machines vendues ont une conguration xe au rotor (toile ou triangle). La modication du couplage par lutilisateur nest pas possible e dans les solutions standards proposes. e Au commencement, notre tude portait sur une structure ` deux onduleurs de e a tensions aliments par un redresseur commun. Eectivement, notre tude tant la e e e suite logique du travail de R. GHOSN [22], nous avons considr la mme soluee e tion technique, cest ` dire un seul redresseur pour deux onduleurs. Par la suite a nous nous sommes aussi intresss ` la seconde forme. Nous avons toujours eu le e e a souci de replacer notre tude dans un contexte le plus gnral et le plus modulaire e e e possible. Cest donc naturellement que nous avons dcid dutiliser pour la manie e pulation exprimentale, deux redresseurs associs ` deux onduleurs. Notre choix a e e a t confort par lobligation dun rapport de transformation lors de lachat de la ee e MADA. De plus, le choix de la conguration ` un redresseur nous aurait oblig ` a ea tre tr`s attentif ` son dimensionnement : il doit en eet tre capable de supporter e e a e le travail en parall`le des deux onduleurs. Ce probl`me aurait d tre tudi au e e u e e e sens des changes nergtiques. e e e

1.4

Discussion sur les avantages et les inconve nients dune MADA avec des convertisseurs au stator et au rotorDomaines dapplication

1.4.1

Que lon adopte un syst`me comprenant un seul redresseur ou deux, la carace tristique Couple - Vitesse est toujours la mme pour peu que lon consid`re un e e e 20

Cr

Onduleur rotorique

1. De ltat de lart au positionnement de ltude e e contrle identique sur les deux syst`mes. Nous nous plaons dans un fonctionneo e c ment en mode moteur de la MADA. Une telle caratristique, donne sur la gure 1.8, fait appara plusieurs zones de e e tre fonctionnement : dans la premi`re zone, la vitesse volue alors que le couple lectromae e e gntique Cem est constant et gal au couple nominal de la machine. Nous e e maintenons ceci jusqu` une vitesse que nous qualierons, vitesse de base b , a dans la deuxi`me zone, nous agissons, en aaiblissant inversement propore tionnellement ` la vitesse, ltat magntique de la machine . Le couple a e e diminue lui aussi, alors que la tension maximale est atteinte sur chacun des cots de la machine et que la puissance active PS reste minimale et constante e sur chaque ct PS = PSn . oe Couple [Nm] PSn Cem

Vitesse [Rad/s] b max Fig. 1.8: Caractristique de fonctionnement de la machine Couple - Vitesse e Les direntes zones seront explicites un peu plus loin dans ce mmoire et on e e e pourra voir alors comment elles sarticulent en fonction du contrle que lon choisit o dadopter. La dirence fondamentale entre un fonctionnement ` deux onduleurs et e a un fonctionnement ` un onduleur, est que la vitesse de base dans le cas du syst`me a e stator reli au rseau, est gale ` la vitesse nominale de rotation, n . Alors que dans e e e a le cas dun onduleur au stator et au rotor, elle dpend directement du rapport de e transformation qui existe entre la tension statorique et la tension rotorique dune machine ` rotor bobin. a e Une telle courbe de fonctionnement nous autorise donc ` penser que cette maa chine sera tr`s performante dans des applications ncessitant un fort couple de e e dmarrage : e la mtallurgie avec les enrouleuses et les drouleuses de bobines e e la traction, avec notamment des applications de type transport urbain ou propulsion maritime, et enn les application de levage, ascenseurs, monte-charge etc... sont vises. e

1.4.2

Avantages

La conguration qui utilise deux onduleurs avec un ou deux redresseurs prsente e un certain nombre davantages. 21

1. De ltat de lart au positionnement de ltude e e Le premier dentre tous est tout de mme diant. Dans une conguration deux e e onduleurs - un redresseur, malgr un nombre de convertisseurs plus importants, e relativement ` une application avec stator connect au rseau, le cot global de a e e u lensemble serait moins cher denviron 5% [53] . Eectivement les convertisseurs, bien que plus nombreux sont de puissances moins leves. Il y a donc fort ` parier e e a que la rduction en puissance de ces onduleurs entra une rduction de la quane ne e tit de silicium. Par consquent, dans le domaine de fortes puissances, cela peut e e conduire ` des conomies intressantes pour lacheteur nal. Il serait intressant a e e e de reprendre cette tude au niveau industriel et daboutir ` un tableau comparae a tif gnral. Il permettrait ainsi dtablir les rfrences de prix pour les direntes e e e ee e congurations des entra nements asynchrones utiliss. e Le deuxi`me avantage est la large gamme de vitesse accessible ` couple et ` ux e a a constants. Si on ajoute ` cela la possibilit de dmagntiser donc dacclrer encore a e e e ee la machine, on entrevoit un peu plus les avantages de cette machine par rapport a ` une machine asynchrone ` cage et une machine synchrone dans les applications a ncessitant une variation de vitesse. e Le dernier avantage est trahi dans son nom : Machine gnralise. Eectie e e vement cest une machine pouvant assurer tous les fonctionnements des autres machines. On peut donc y voir un avantage majeur, elle pourrait permettre de passer dun fonctionnement ` un autre tout ` fait acceptable. Par exemple dans une a a application ferroviaire, nous pouvons revenir ` mode de fonctionnement de type a Machine Asynchrone (` rotor court-circuit) en cas de lapparition dun dfaut sur a e e lun des bras des onduleurs. La gestion des modes dgrads est plus facile. e e Par extension, cette gnralisation nous permet denvisager le pilotage de cette e e machine de mani`re plus globale en le ddiant ` la gestion de loptimisation des e e a changes dnergie au sein du syst`me auquel la MADA est intgre. e e e e e

1.4.3

Inconvnients e

Dicile de lui en trouver ! ! Mais tout de mme, trois aspects retiendront notre e attention : Elle est plus volumineuse quune MAS ` cage de puissance quivalente. Lasa e pect multi-convertisseurs, augmente le nombre de convertisseurs et par conse quent le prix. Pourtant certaines tudes (cf 1.4.2) prtendent le contraire. e e Le march traditionnel est conquis par la MAS ` cage,tr`s tudi et tr`s e a e e e e connue, la nouveaut peut erayer. e A notre connaissance, peu dindustriels nont encore men dtudes rigoue e reuses comparatives de prix total de revient sous la forme deux onduleurs. Cela la marginalise toujours par rapport ` sa concurrente directe, la congua ration avec stator connect au rseau dont le cot global est bien ma e. e e u tris

1.51.5.1

Positionnement de ltude eContexte local

Cette tude est la suite logique de prcdents travaux mens au sein du LEEI e e e e sur la machine ` double alimentation. Il y a dabord eu les travaux de P. ESCANE a 22

1. De ltat de lart au positionnement de ltude e e dont ltude a port sur la simulation dun tel syst`me par le logiciel M AT LAB T M e e e et le langage de programmation FORTRAN, [19]. Il sappuie lui mme sur un e mod`le de type premier ordre (pour les modes lectriques) premi`rement tudi e e e e e par M. LECOCQ [37]. Il a choisi un contrle vectoriel avec orientation du rep`re o e tournant sur le ux dentrefer. Ensuite, il y a ltude de R. GHOSN, [22]. Cette tude propose une nouvelle moe e dlisation des modes lectriques. Ce mod`le est de type deuxi`me ordre. Il adopte e e e e un contrle de type champ orient. Le rep`re tournant est li avec le ux statorique. o e e e La rpartition des puissances a t son axe de travail principal. An davoir une e ee ma trise sur les puissances actives changes entre le stator et le rotor, il propose e e de faire intervenir une rpartition des frquences mises en jeu. e e Prcisons que jai eu la chance de collaborer avec R. GHOSN lors de limplantae tion exprimentale de sa stratgie au sein du service Etudes Spciales de la division e e e Power Conversion de la socit ALSTOM de Belfort [63]. Au cours de cette raee e lisation pratique, nous navons malheureusement pas eu les rsultats escompts ` e e a cause du manque de temps. Le fonctionnement gnral, et la philosophie de la strae e tgie ont tout de mme pu tre valids ` vitesse rduite. La vitesse nominale na e e e e a e pas pu tre atteinte en raison notamment dune mauvaise adquation du redresseur e e situ en tte de la cha de puissance. e e ne Fort de ces renseignements et expriences, nous avons pu orienter notre tude. Il e e est apparu que les hypoth`ses mises lors de la modlisation utilise par R. GHOSN e e e e taient dlicates. Le mod`le du second ordre ainsi dvelopp ne trouvait pas tout e e e e e ` fait sa ralit physique. A loppos, le mod`le simul lors des premiers travaux a e e e e e par P. ESCANE tait lui tr`s simple et tr`s proche dune interprt