CONTROLE DES PUISSANCES ACTIVE ET REACTIVE DE LA MACHINE A DOUBLE ALIMENTATION (DFIM).pdf

7/21/2019 CONTROLE DES PUISSANCES ACTIVE ET REACTIVE DE LA MACHINE A DOUBLE ALIMENTATION (DFIM).pdf

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R p u b l i q u e A l g r i e n n e D m o c r a t i q u e e t P o p u l a i r eM i n i s t r e de le n s e i g n e m e n t s u p r i e u r et de la r e c h e r c h e s c i e n t i f i q u e

______________________________________________________________________________________________________

T H E S E

Prsente

lU n i v e r s i t d e B a t n a

En vue de lobtention du diplme de

D O C T O R A T E N S C I E N C E SE N E L E C T R O T E C H N I Q U E

Option: Electrotechnique

Prsente par

DENDOUGA AbdelhakimCharge de Cours lUniversit de Biskra

Magister en lectrotechnique de luniversit de Batna

Ingnieur dtat en lectrotechnique deluniversit de Batna

____________________________________________________

CONTROLE DES PUISSANCES ACTIVE ET REACTIVE DELA MACHINE A DOUBLE ALIMENTATION (DFIM)

____________________________________________________

Thse soutenue le : 10/02/2010devant le jury :

Farid NACERI Prsident Professeur Univ. Batna

Rachid ABDESSEMED Rapporteur Professeur Univ. Batna

Mohamed Lokmane BENDAAS Co-Rapporteur Matre de Confrences Univ. Batna

Amar GOLEA Examinateur Professeur Univ. Biskra

Abdelhamid BENAKCHA Examinateur Matre de Confrences Univ. Biskra

Djamel AOUZELLAG Examinateur Matre de Confrences Univ. Bejaia

1

Thse prpare au sein du laboratoire dElectrotechnique de Batna (LEB)


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REMERCIEMENTS

Tout dabord, je remercie dieu de tout puissant de mavoir donn le courage et la patience

durant toutes ces annes dtudes.

Je tiens exprimer ma profonde gratitude et ma reconnaissance envers mes promoteurs

Mr. R. Abdessamed, professeur luniversit de Batna et Mr. M.L. Bendaas,matre de

confrences luniversit de Batna, pour la confiance quils mont prodigu, pour leurs

encouragements continus, pour le suivi et la direction de mon travail, ainsi que pour leurs

conseils judicieux.

Par ailleurs, je remercie vivement Mr. F. NASRI,professeur luniversit de Batna, qui

ma fait lhonneur de prsider le jury de ma thse.

Je tiens galement prsenter mes sincres remerciements Mr. A. Gola, professeur

luniversit de BiskraetMr. A. Benakcha, Matrede confrences luniversit de Biskra

et Mr. D. Aouzellag, Matre de confrences luniversit de Bejaia, pour leur

participation l'valuation scientifique de ce travail.

Je noublie videmment pas mes collgues du LEB et mes enseignants du dpartement

dlectrotechnique de Batna.

Enfin, si j'ai oubli quelqu'un, je le prie de me pardonner.


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A ma mreA la mmoire de mon preA ma femme

A ma fille khlas et mon fils ssamA mes frres et mes surs

A tous ceux qui me sont chersJe ddie ce modeste travail.

Dendouga Abdelhakim


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Avant-propos

Avant-propos

Les travaux de recherche consigns par la prsente thse ont t concrtiss par plusieurs

publications et communications nationales et internationales dont:

Publications:

A. Dendouga, R. Abdessemed and M.L. Bendaas, "Active and Reactive Powers Control of

a Doubly-Fed Induction Generator Fed by Matrix Converter", EPE Journal, Vol.19, No.1,

2009.

A. Dendouga, R. Abdessemed and M.L. Bendaas, "Decoupled Control of a Doubly-Fed

Induction Machine Fed by SVM Matrix Converter", KIEE Journal, Vol.3, No.4, 2008.

A. Dendouga, R. Abdessemed and M.L. Bendaas, "Simple Concept and Robust Control

of a Doubly-Fed Induction Generator by Sliding Mode Control", International Review of

Automatic ControlIREACO Journal, Vol.1, No.1, 2008.

Communications:

A. Dendouga, R. Abdessemed and A. Chaiba, " Sliding Mode and Direct Torque Control

of Variable Speed Wind Turbine ", ICRE'07, Bejaia, 25-27 Nov., 2007.

A. Dendouga, R. Abdessemed, M.L. Bendaas and A. Chaiba, "Decoupled Active and

Reactive Power Control of a Doubly-Fed Induction Generator (DFIG)", Proc. 15 th

Conference on Control and Automation, July 27-29, Athens, Greece, 2007.

A. Dendouga, R. Abdessemed, M.L. Bendaas and A. Chaiba, "Rglage par Mode Glissant

des Puissances Active et Ractive de la Machine Asynchrone Double Alimentation

(MADA)", Proc. 4thConf. CEE'04, Batna, 2004.

A. Dendouga, R. Abdessemed, M.L. Bendaas and A. Chaiba, "Power Flow Control of a

Doubly-Fed Induction Generator (DFIG)", Proc. 3th Inter. Conf. On Signals, Systems,

Devices SSD'05, March 21-24, Sousse, Tunisia, 2005.

A. Dendouga, R. Abdessemed, M.L. Bendaas and A. Chaiba, "Sliding mode control of

active and reactive power generated by a doubly fed induction generator (DFIG)", Proc. 4 th

Conf. Sur le gnie lectrique, EMP-Alger, April 12-13, Algeria, 2005.


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Rsum Ar_Fr_En


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_Rsum_ Abstract

R.1

)DFIM(

:

)DFIM(

.

)DFIM(

.

)DFIM(

Venturini

.

.

Matlab.

PI

)DFIM(

.

:

PI

Venturini

.


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_Rsum_ Abstract

R.2

Contrle des Puissances Active et Ractive de la Machine

Double Alimentation (DFIM)

Rsum: Cette thse traite la modlisation, le contrle et la simulation d'un systme de conversion

lectromcanique d'nergie lectrique base d'une machine double alimentation (DFIM) connecte

directement au rseau et pilote par son rotor via un convertisseur matriciel. L'ide, consiste implmenter un

systme de contrle dcoupl des puissances active et ractive gnres par le stator de la DFIM afin d'assurer

de hautes performances et une meilleure excution de la DFIM d'une part, et de rendre le systme insensible aux

perturbations extrieures et aux variations paramtriques d'autre part. En premier lieu, nous avons commenc

par une tude de l'tat de l'art, du rgime permanent et de modlisation de la DFIM; en suite nous avons

effectu galement une tude de modlisation et de simulation sur le convertisseur matriciel contrl par la

technique de modulation de Venturini, vu que cette dernire prsente un taux d'harmoniques rduit et offre la

possibilit d'obtenir un fonctionnement avec un facteur de puissance unitaire l'entre de celui-ci. En deuxime

lieu nous avons adopt un contrle vectoriel bas sur l'orientation du vecteur tension statorique suivant le

rfrentiel synchrone li au champ tournant pour contrler les puissances active et ractive. A fin de valider et

de tester le systme de conversion complet (DFIM, convertisseur matriciel, Algorithmes de contrle), une tude

de simulation sous l'environnement Matlab a t effectue. D'aprs les rsultats obtenus, nous pouvons

confirmer que le contrle vectoriel indirect avec des boucles de puissances active et ractive base de

rgulateurs PI constitue une solution viable et attractive pour les systmes de gnration vitesse variablenotamment dans les systmes oliens, de mme qu'il prsente l'avantage de contrler les courants rotorique et ce

qui permet d'assurer la protection de la DFIM par limitation des courants d'une part, et d'assurer un

fonctionnement optimal du systme de conversion en minimisant les ventuels soucis lis aux variations des

paramtres.

Mots-Cls:

machine double alimentation;

contrle vectoriel;

rgulateurs PI;

convertisseur Matriciel;

technique de Modulation de Venturini;

systme de Conversion vitesse variable.


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_Rsum_ Abstract

R.3

Control of active and reactive powers of a doubly fed

induction machine (DFIM)

Abstract: This thesis treats the modeling, the control and the simulation of an electrical power

electromechanical conversion system based on the doubly fed induction connected directly to the grid by the

stator and fed by a matrix converter machine on the rotor side. The idea, consists to implementation of a

decoupled control system of active and reactive powers generated by the stator side of the DFIM, in order to

ensure of the high performance and a better execution of the DFIM, and to make the system insensible with the

external disturbances and the parametric variations. In the first place, we started with a study of the state of the

art, of steady-state and of modeling of the DFIM, in continuation we also carried out a study of modeling and

simulation on the matrix converter controlled by the Venturini modulation technique, because this later present

a reduced harmonic rate and the possibility of operation of the converter at the input unit power-factor. In

second place, we adopted a vector control based on the stator voltage vector orientation according to the

synchronous reference frame related to the rotate field to control the active and reactive. To validate and test the

complete conversion system (DFIM, matrix converter, Algorithms of control), a study of simulation under the

Matlab environment was carried out. According to the results obtained , we can confirm that the indirect vector

control with a power loop of the active and reactive powers is a solution viable and attractive for the variable

speed generation systems in particular in the wind systems, because this last makes it possible to obtain a

preferment and robust control system for a variable speed operation, just as it has the advantage of controllingthe rotor currents what makes it possible to ensure the protection of the DFIM by limitation of the currents, and

of ensuring an optimal operation of the conversion system by minimizing the possibility related to the variations

of the parameters.

Key-Words:

Doubly fed induction machine;

vector control;

PI regulators; Matrix converter;

Venturini modulation technique;

Variable speed conversion system.


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Table des matires


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Table des matires

T.1

Table des matires

NOTATIONS ET SYMBOLES.

INTORDUCTION GENERALE..

1

3

CHAPITRE I

Etat de l'Art de la Machine Double Alimentation

1.1 Introduction......

1.2 Description de la machine double alimentation

1.3 Classification des machines double alimentation..

1.3.1 Machine double alimentation rotor bobin...

1.3.2 Machine double alimentation en cascade asynchrone.

1.3.3 Machine double alimentation sans balais.....

1.4 Comparaison entre les diffrentes variantes de la machine double alimentation..

1.5 Principe de fonctionnement de la DFIM..

1.6 Modes oprationnels de la DFIM.

1.7 Avantages et inconvnients de la DFIM......

1.7.1 Avantages de la DFIM

1.7.2 Inconvnients de la DFIM..

1.8 Domaines d'application de la DFIM.

1.8.1 Dans les systmes d'entranement vitesse variable..

1.8.2 Dans les systmes de gnration olienne vitesse variable.

1.8.2.1Eolienne isole (autonome).......

1.8.2.2Eolienne connecte au rseau...

1.9 Les diffrentes configurations de l'association DFIM/convertisseur de puissances

1.9.1 DFIM avec un convertisseur AC/AC associ au rotor...

1.9.2 DFIM avec deux convertisseurs AC/AC

1.10 Convertisseurs de puissance associs la DFIM...

1.10.1 Redresseur non/et contrlable associ un onduleur MLI thyristors....

1.10.2 Cycloconvertisseur...

1.10.3 Redresseur MLI de courant associ un onduleur MLI de tension.

1.10.4 Convertisseur Matriciel

8

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19

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30


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Table des matires

T.2

1.11Caractristique des interrupteurs semi-conducteur utilises dans le domaine

vitesse variable........

1.12 Etat del'art sur les stratgies de commande de la DFIM...

1.12.1 Fonctionnent moteur.

1.12.2 Fonctionnent gnrateur...

1.12.3 Conclusion sur l'tat de l'art..

1.13 Positionnement du contexte de travail...

1.14 Conclusion..

32

33

34

37

41

42

43

CHAPITRE II

Etude et Analyse de la DFIM en Rgime Permanent

2.1 Introduction...

2.2 Equations de la DFIM en rgime permanent

2.3 Circuit quivalent de la DFIM..

2.4 Bilan de puissances et rendement de la DFIM..

2.5 Diagramme vectoriel de la DFIM.

2.6 Caractristiques de la DFIM en rgime permanent...

1.6.1 Caractristiques avec un rotor court-circuit........

1.6.2 Caractristiques avec un rotor aliment...2.7 Caractristiques oprationnelles de la DFIM connecte un rseau puissant..

2.8 Conclusion.

44

45

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49

50

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CHAPITRE III

Modlisation de la Machine Double

Alimentation

3.1 Introduction...

3.2 Transformation dePark

3.3 Modlisation vectorielle de la DFIM

3.3.1 Introduction de la notion de vecteur tournant..

3.3.3

Modle vectoriel ramen au stator dans le rfrentiel li au stator......

3.3.3Modle vectoriel dans un rfrentiel li au champ tourant

statorique......

3.4 Equation de Concordia..........

3.5 Equation dePark...

66

66

69

69

71

73

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Table des matires

T.3

3.6 Conclusion. 77

CHAPITRE IV

Convertisseur Matriciel:Modlisation et Stratgie

de Commande4.1 Introduction...

4.2 Principe de fonctionnement du convertisseur matriciel

4.3 Interrupteurs semi-conducteurs utiliss dans le convertisseur matriciel

4.4 Protection du convertisseur matriciel....

4.5 Modlisation du convertisseur matriciel...

4.6 Modlisation du filtre d'entre...

4.7 Modlisation de la charge.

4.8 Principe et formulation mathmatique de la technique de modulation de Venturini

4.9 Rsultats de simulation et interprtations..

4.10 Conclusion...

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82

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88

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CHAPITRE V

Rglage des Puissances Active et Ractive de la

DFIM Alimente par un Convertisseur Matriciel

5.1 Introduction...

5.2 Modlisation de la DFIM en vu d'un rglage dcoupl...

5.3 Contrle vectoriel dcoupl des puissances active et ractive...

5.4 Rglage direct des puissances active et ractive...

5.4.1 Schma bloc de la rgulation...

5.4.2 Calcul des paramtres du rgulateur PI...

5.4.3 Schma synoptique du contrle de la DFIM...

5.4.4 Rsultats de simulation et interprtations ...

5.5 Rglage indirect des puissances active et ractive ...

5.5.1 Rglage sans boucle de puissance...

5.5.1.1Calcul des paramtres du rgulateur PI

5.5.1.2Schma synoptique.

5.5.1.3Rsultats de simulation et interprtations.

5.5.2 Rglage avec boucle de puissance...

5.5.2.1Schma synoptique.

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111


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Table des matires

T.4

5.5.2.2Rsultats de simulation et interprtations.

5.6

Tests de robustesse du systme de contrle la variation de la rsistance

rotorique

5.7 Conclusion.

112

119

122

CONCLUSION ET PERSPECTIVES

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

ANNEXE..

124

128

137


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NOTATIONS ET SYMBOLES


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Notations et symboles

1


Abrviations

DFIMDFIG

AC/AC

AC/DC/AC

MLI

PI

MC

: Machine Double Alimentation (doubly fed induction machine): Gnratrice Double Alimentation (doubly fed induction generator)

: Alternatif/Alternatif

: Alternatif/Continu/Alternatif

: Modulation de Largeur dImpulsion

: Proportionnel Intgral

: Convertisseur Matriciel

Indices

a, b, c

s, r

d, q

,

n

: Repre triphas (rel)

: Stator et Rotor

: Repre biphas li au champ tournant

: Repre biphas li au stator (fixe)

: Valeur Nominale

Symbolesg

Es

Ers

fs

fr

fm

np

Ns

Nr

Kws

Kwr

Krs

m

v

i

: Glissement

: F.e.m induite dans le stator

: F.e.m induite dans le rotor par l'effet du flux statoriuqe

: Frquence des grandeurs statoriques

: Frquence des grandeurs rotoriques

: Frquence mcanique de rotation du rotor

: Nombre de paires de ples

: Nombre de spires par phase du stator

: Nombre de spires par phase du rotor

: Coefficient de bobinage du stator

: Coefficient de bobinage du rotor

: Rapport effectif entre l'enroulement du stator et du rotor

: Flux maximal dans l'entrefer cre par chaque ple

: Tension instantane

: Courant instantan


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2

s

r

m

sr

s

r

Rs, Rr, Rm

Ls, Lr, Lm

ls, lr

Ps, Qs

Pr, Qr

Pm

Ce

Cg

: Vecteur flux statorique

: Vecteur flux rotorique

: Vitesse angulaire du rotor (rad/s)

: Pulsation des grandeurs statoriques

: Pulsation des grandeurs rotoriques

: Position angulaire du rotor par rapport au repre fixe (, )

: Position angulaire du repre (d,q) par rapport au repre fixe (, )

: Position angulaire du repre (d,q) par rapport au repre li au rotor

: Rsistances statorique, rotorique et magntisante

: Inductances propre (cyclique) statorique, rotorique et magntisante

: Inductances de fuite statorique et rotorique

: Puissances active et ractive du stator

: Puissances active et ractive du rotor

: Puissance mcanique d'entrainement

: Couple lectromagntique

: Couple dvelopp par la gnratrice


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Introduction Gnrale


18/160

Introduction gnrale

3

Introduction Gnrale

Lnergie lectrique est un facteur essentiel pour le dveloppement et lvolution des

socits humaines que ce soit sur le plan de lamlioration des conditions de vie que sur le

dveloppement des activits industrielles. Elle est devenue une forme dnergie indispensable

par sa souplesse dutilisation et par la multiplicit des domaines dactivit o elle est appele

jouer un rle de plus dimportant. Ces modes de production ainsi que les moyens de

distribution associs sont amens subir de profonds changements au cours des prochaines

dcennies.

En effet, jusqu prsent la production dlectricit provenait essentiellement de la

filire nuclaire et de la transformation de ressources naturelles fossiles. Ces deux modes de

production posent des problmes dont limportance est croissante au fil des annes. Il sagit

du stockage de dchets nuclaires non retraitables et de la disparition prvue au 21 mesicle,

des principales sources dnergie fossile. Les contraintes environnementales concernant les

rejets dans latmosphre de gaz effet de serre (principalement le CO2et le CH4) renforcent

galement lide dune production dnergie lectrique propre, conomique et durable [FRA

03].

Ainsi, les modes de production reposant sur la transformation dnergie renouvelable

(olien, solaire,) sont appels tre de plus en plus utiliss dans le cadre du dveloppement

durable. Aujourdhui, et grce lvolution rcente de llectronique de puissance et micro-

informatique, le domaine de production de lnergie lectrique vitesse variable, a connu ces

dernires annes un essor considrable.

La littrature atteste du grand intrt accord aujourd'hui la machine doublement

alimente (DFIM) pour diverses applications: en tant que gnratrice pour les nergies

oliennes ou en tant que moteur pour certaines applications industrielles comme le laminage,

la traction ferroviaire ou encore la propulsion maritime. Cet intrt est d essentiellement aux

degrs de libert qu'elle offre du fait de l'accessibilit de son rotor et donc de la possibilit de

l'alimenter par un convertisseur aussi bien du ct du stator que du ct du rotor.


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Introduction gnrale

4

Le schma de raccordement le plus typique de cette machine consiste raccorder le

stator directement au rseau, alors que le rotor est aliment travers un convertisseur de

puissance contrl. Cette solution est plus attractive pour toutes les applications o les

variations de vitesse soient limites autour de la vitesse de synchronisme vu que ce domaine

de fonctionnement prsente un faible glissement, et par consquent le convertisseur associ au

rotor doit tre trait seulement une fraction de 20 30 % de la puissance nominale du systme

de conversion. Ceci signifie que les pertes dans le convertisseur est moindre (puissance

fournie au rotor est faible) ainsi que le cot de celui-ci s'en trouve rduit. C'est la raison pour

laquelle on trouve cette machine dans les systmes de production en forte puissance vitesse

variable et frquence constante. Une seconde raison est la possibilit de contrler la puissance

active et ractive dans le stator via le contrle du convertisseur de puissance.

Bien que la conversion indirecte de frquence en utilisant une cascade Redresseur-lien

continu-Onduleur soit une technique bien tablie, la conversion directe est toujours peu

connue, mme si dans beaucoup d'applications d'entranements courant alternatif, il est

souhaitable de remplacer le convertisseur de tension conventionnel AC/DC/AC par un

convertisseur plus compact, tout en gardant de bonnes formes d'ondes entre/sortie et la

possibilit de rglage du facteur de puissance lentre. En effet, les rcentes avances en

lectronique de puissance ont permis lmergence du convertisseur matriciel (MC) permettant

une conversion directe AC/AC. Jusqu' prsent, lintrt pour ce convertisseur tait dune

nature plutt acadmique et ainsi il existe trs peu de produit commercialis du convertisseur

matriciel en adquation aux efforts fourni dans de nombreux laboratoires de recherche.

Aujourd'hui, le convertisseur matriciel de puissance est devenu un axe de recherche

important et plus attractif par beaucoup de chercheurs dans le domaine d'entranement ou de

gnration vitesse variable grce aux avantages prsents par celui-ci par rapport aux

convertisseurs classiques comme le cyclo-convertisseur et le cascade redresseur/lien

continu/onduleur, notamment [GHE 08_2, ZHA 98_2]:

la commande dcouple de l'amplitude et la frquence de la tension de sortie;

un courant sinusodal l'entre avec un dphasage ajustable, donc la possibilit

de fonctionner un facteur de puissance unitaire pour n'importe quelle charge;

le rapport entre la tension de sortie et celle de l'entre est maximis au possible;

la possibilit d'avoir un coulement de puissance bidirectionnel et parconsquent d'obtenir un fonctionnement dans les quatre quadrants;


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Introduction gnrale

5

un taux d'harmoniques rduit aussi bien pour les courants d'entre que pour les

courants de sortie;

une large gamme de frquence oprationnelle pour la tension de sortie;

l'absence d'un grand condensateur pour le stockage de l'nergie comme dans le

cas d'une cascade redresseur/lien continu/onduleur, ce qui permet de rduire le

cot et le dimensionnement du convertisseur.

Dans la littrature du convertisseur matriciel, on trouve deux stratgies de commande

qui sont principalement adoptes la commande du convertisseur matriciel. La premire est

base sur la mthode de modulation de Venturini et la deuxime sur la modulation par

vecteur spatial SVM. Dans notre travail, le choix est port sur la mthode de modulation de

Venturinien vue d'une commande rapproche du convertisseur matriciel fin de parvenir un

rglage dcoupl des puissances active et ractive gnres par la DFIM. Cette mthode

prsente un avantage exceptionnel par rapport la deuxime mthode, qui rside dans le taux

d'harmoniques rduit. C'est donc dans ce cadre que nous allons adopter un contrle vectoriel

dcoupl des puissances active et ractive de la DFIM bas sur l'orientation de la tension

statorique suivant le rfrentiel synchrone li au champ tournant dont l'objectif d'assurer des

hautes performances et une meilleure excution de la gnratrice double alimentation d'une

part, et d'autre part de rendre le systme insensible aux perturbations extrieures et aux

variations paramtriques.

Au cours de notre travail, nous allons prsenter toutes les tapes franchir pour

parvenir ce rsultat. Les aspects concernant le choix de la configuration de la DFIM, du

convertisseur et la technique de commande rapproche et loigne, jusqu' la simulation du

systme de conversion, sont dcrits dans cette tude. Dans ce contexte, notre thse est

structure comme suit:

Dans le premier chapitre nous allons prsenter un tat de l'art de la machine double

alimentation. En effet, travers une synthse bibliographique d'un certain nombre d'articles de

revues et de confrences, en premier lieu, nous essayerons de mettre en vidence la machine

double alimentation afin dtudier son principe de fonctionnement et dvaluer les avantages

et les performances apports par cette machine, ainsi que les diffrents domaines

dapplication. En plus, une classification et une comparaison des diffrents types de cette

machine seront prsentes. D'autre part, une tude comparative des diffrents types des

convertisseurs de puissance associs la DFIM rencontrs dans la littrature sera effectueafin de dgager les principaux avantages et inconvnients de chaque type.


21/160

Introduction gnrale

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En second lieu, nous analyserons les diffrentes stratgies de commande qui ont t testes

avec la configuration considre auparavant. Il apparat que le contrle vectoriel bas sur le

principe d'orientation du flux du stator, du rotor et de l'entrefer est la stratgie de pilotage la

plus utilise pour la DFIM. De cette manire, les tensions, les courants, et les divers flux ont

t pris comme axe de liaison avec le repre tournant ncessaire. Cette stratgie ayant t trs

tudie, elle nous servira de base de travail pour la suite de notre tude.

A la fin de ce premier chapitre, nous situerons le contexte de notre travail et nous choisirons

la configuration du systme, le type de convertisseur utilis, ainsi que la stratgie de

commande adopte ce systme.

Dans le second chapitre nous dvelopperons une tude de la DFIM en rgime

permanent par simulation. Ceci nous permettra dintroduire un modle quivalent pour la

DFIM dont l'objectif de dgager les caractristiques principales: couple-vitesse, courant,

tension, puissances active et ractive, et facteur de puissance. Ceci nous permettra aussi bien

de comprendre au mieux le comportement de la DFIM dans les quatre quadrants de

fonctionnement ainsi que la rpartition des puissances afin de pouvoir choisir le domaine de

vitesse dans lequel la DFIM doit fonctionner dont l'objectif de l'obtention de meilleures

performances.

Le troisime chapitre sera lobjet d'une tude de modlisation de la DFIM pilote par

le rotor en vu du rglage des puissances active et ractive au niveau du stator. Un modle

mathmatique biphas de la partie mcanique et lectrique de la DFIM dans les diffrents

repres sera introduit. Au cours de cette modlisation, notre choix sera port sur le repre li

au champ tournant car il permettra d'obtenir un dcouplage entre la puissance active et

ractive.

Le quatrime chapitre portera sur la modlisation du convertisseur matriciel en tenant

compte du filtre passif l'entre de celui-ci, aprs une description de son principe de

fonctionnement, de sa structure, ainsi que des diffrentes configurations des commutateurs

bidirectionnels adopts celui-ci. En plus, la stratgie de commande par modulation de

Venturini sera galement dtaille. A la fin de ce chapitre et dont l'objectif d'valuer les

performances apportes par ce convertisseur command par la technique considre, une

tude par simulation sera prvue.


22/160

Introduction gnrale

7

En fin le dernier chapitre sera consacr l'implmentation d'un algorithme de rglage

dcoupl des puissances active et ractive de la DFIM connecte directement au rseau et

pilote par son rotor via un convertisseur matriciel command par la technique de modulation

de Venturini, en se basant sur la thorie de la commande vectorielle. Cet algorithme est bas

d'une part sur l'utilisation du repre synchrone li au champ tournant, et d'autre part sur

l'orientation du flux statorique suivant l'axe direct "d" de ce repre afin de raliser un

dcouplage entre la puissance active et ractive. Finalement, une tude de simulation sera

effectue sous l'environnement Matlab afin de tester et dvaluer les performances apportes

par cet algorithme de rglage et sa robustesse aux variations paramtriques.

On terminera par une conclusion du travail ralis ainsi que par quelques ides en

perspectives.


23/160

Chapitre 1

Etat de l'art de la machine

double alimentation


24/160

Chapitre 1 Etat de l'Art de la Machine Double Alimentation

8

Etat de l'art de la Machine Double Alimentation

1.1. Introduction

Avant d'aborder la modlisation et la commande de la machine doublement alimente

(DFIM), il est indispensable d'entamer l'tude de l'tat de l'art des travaux qui sont effectus

sur cette machine. Le bilan de cette synthse bibliographique, permet de mettre en vidence

notre travail par rapport ceux dj existants et de dfinir les grands axes de recherche [KHO

06, SAL 07].

Traditionnellement et mme l'heure actuelle, la machine courant continu possde

l'image de marque d'une machine prdispose la vitesse variable, puisque la nature de la

source qu'elle requiert, ainsi que sa commande pour assurer cette fonction sont simples

obtenir.

La machine asynchrone cage, a connu ces dernires annes, grce l'volution

technologique rcente de l'lectronique de puissance et la matrise des techniques de

commande (la commande vectorielle, la commande directe du couple, la commande par mode

glissant,) un essor considrable; et elle est devenue la machine la plus utilise surtout dans

le domaine des entranements vitesse variable car cette dernire prsente l'avantage d'tre

plus robuste et moins coteuse que les autres machines. Cependant celle-ci prsente des

inconvnients tels que la consommation de puissance active, un courant de dmarrage lev,

une limitation en puissance, de mme quelle prsente des grandeurs non mesurables au niveau

du rotor ce qui ncessite une commande plus complique [CAM 03, SAL 07].

La littrature atteste du grand intrt accord aujourd'hui la machine doublement

alimente (DFIM) pour diverses applications : en tant que gnratrice pour les nergies

oliennes ou en tant que moteur pour certaines applications industrielles comme le laminage,

la traction ferroviaire ou encore la propulsion maritime [CAM 03, ELA 04, KHO 06, SAL

07].

Ce chapitre a pour objectif de mettre en vidence la machine double alimentation,

afin dtudier son principe de fonctionnement et dvaluer les avantages et les performances

apports par cette machine, ainsi que les diffrents domaines dapplication de celle-ci. En

plus, une classification et une comparaison des diffrents types de cette machine seront

prsentes. D'autre part, une tude comparative des diffrents types de convertisseurs de

puissance associs la DFIM rencontrs dans la littrature sera effectue afin de dgager lesprincipaux avantages et inconvnients de chaque type.


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1.2. Description de la machine double alimentation

La machine double alimentation en anglo-saxon doubly fed induction machine

(DFIM)est, comme son nom lindique, une machine triphase courant alternatif avec deux

enroulements triphases accessibles, dans lesquels la puissance peut tre fournie ou extraite de

la machine travers ces enroulements [HOP 01, LIN 03].

Ce type de machines ncessite une seule source dalimentation alternative qui peut

alimenter les deux cts de la machine et ceci constitue un avantage principal surtout dans les

domaines dentranement et de gnration vitesse variable, dont le glissement peut tre

modifi au moyen de lassociation des convertisseurs de puissance du ct statorique ou

rotorique ou bien les deux la fois. Ceci dpend essentiellement du facteur technico-

conomique de construction [ABD 96, KOS 74].

1.3. Classification des machines double alimentation

La classification de la machine asynchrone rotor bobin est obtenue partir dune

recherche bibliographique qui a t dveloppe dans la littrature du domaine des machines

double alimentation [AZAI 08, HOP 01, LIN 03, SAL 07].

Machine double alimentation

Machine sans collecteur

Machine double

alimentation en cascade

asynchrone

Machine double

alimentation en cascade

asynchrone simple

armature

Machine double

alimentation sans balais

deux bobinages dans le

stator

Rotor cage Rotor rluctancevariable

Machine double

alimentation rotor

bobin (standard)

Machine double stators


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Les diffrentes variantes de la machine double alimentation les plus attractives et les

plus dveloppes dans la littrature sont classifies par un organigramme donn

prcdemment. Le schma de principe et la description de chaque variante seront dtaills ci-

dessous.

1.3.1. Machine double alimentation rotor bobin (standard)

La figure (1.1) montre que la machine double alimentation rotor bobin ou standard,

est une machine asynchrone occupe par un systme balais-bague qui alimente l'enroulement

du rotor. La figure (1.2) illustre le schma de principe de ce type de machines, tel que le stator

est aliment directement par le rseau, alors que le rotor est aliment au moyen dun

convertisseur alternatif-alternatif de telle sorte que le glissement de cette machine devient une

grandeur contrlable. Il faut noter que le convertisseur bidirectionnel indiqu dans la figurepeut tre un convertisseur indirect (AC/DC/AC) compos d'un redresseur et d'un onduleur ou

bien un convertisseur direct (AC/AC): cyclo-convertisseur ou convertisseur matriciel [LIN 03,

SAL 07].

Fig. (1.1) :Couped'une machine asynchrone rotor bobine (standard) [CHA 04]


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1.3.2. Machine double alimentation en cascade asynchrone

La machine double alimentation en cascade asynchrone consiste en deux machines

asynchrones avec des rotors bobins connects mcaniquement et lectriquement, comme il

est montr par la figure (1.3). Le stator de lune des deux machines est connect directement

au rseau alors que lautre est connect au rseau par lintermdiaire dun convertisseur

AC/AC de frquence. Il est galement possible de piloter l'ensemble du systme travers le

stator aliment par le convertisseur.

Ce type de machines offre la possibilit d'avoir une commande dcouple des puissances

active et ractive similaire celle de la machine double alimentation standard [PET 03,

AZAI 08].

Pratiquement, il est aussi possible de combiner deux machines asynchrones rotor

bobin dans une seule machine avec un comportement identique celui de la machine

double alimentation en cascade asynchrone, tel que les deux enroulements des stators sont

logs dans une seule armature et le rotor soit cage dcureuil, comme dans le cas de lamachine double alimentation sans balais.

Fig. (1.2) : Schma de principe de la machine double alimentation rotor bobin (standard)

AC

ACRseau

AC

AC

Fig. (1.3) : Schma de principe de la machine double alimentation en cascade asynchrone

DFIM 1DFIM 2 Couplage lectrique

Couplage mcanique

Rseau


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1.3.3 Machine double alimentation sans balais

C'est une machine asynchrone avec deux enroulements ayant des nombres de paires de

ples diffrents logs dans la mme armature du stator. Lun des deux enroulements est

aliment directement par le rseau et lautre est aliment au moyen dun convertisseur AC/AC(fig. 1.4). Le rotor de cette machine possde un nombre de paires de ples gal la somme

des deux nombres de paires de ples des deux enroulements statoriques.

Parmi les types les plus connus de machines double alimentation sans balais, on

trouve la machine double alimentation rluctance variable qui consiste en un stator

identique celui de la machine double alimentation sans balais et un rotor bas sur le

principe de la rluctance [PET 03, AZAI 08].

1.4. Comparaison entre les diffrentes variantes de la machine double

alimentation

Le tableau (1.1) donne une brve classification et comparaison des diffrentesvariantes de la machine double alimentation les plus attractives dans la littrature. Dans ce

cas, les critres de comparaison sont fonds sur : la complexit de la construction de la

machine, la puissance trait par le convertisseur associ la machine et la stratgie de

contrle[HOP 01, AZAI 08].

On peut conclure que, toutes les machines double alimentation cites dans le tableau

(1.1) doivent fonctionner pour une vitesse autour de celle de synchronisme et ncessitent pour

leur commande un convertisseur bidirectionnel de puissance. Dans cette condition, plus la

gamme oprationnelle est troite (qui doit tre autour de la vitesse de synchronisme) plus la

Fig. (1.4) : Schma de principe de la machine double alimentation sans balais

AC

AC

Enroulement 2

Enroulement 1

Rseau


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puissance traite par le convertisseur est rduite. De point de vue stratgie de commande il n'y

a pas de grande diffrence entre ces variantes.

Tab. (1.1) : Classification et comparaison des diffrentes variantes de la machine double

alimentation

Type de la machine

double alimentation

Construction

de machine

Convertisseur

de puissanceMthode de commande

Machine rotor

bobinEtablie

Dpend de la

vitesse

oprationnelle

Orientation du flux statorique

avec le dcouplage entre la

puissance active et ractive

Machine en cascade

asynchroneDifficile

Comme la

machine rotor

bobin

Orientation du flux statorique

avec le dcouplage entre la

puissance active et ractive

Machine sans balais

Spcial, prototypes

disponibles et toujours en

recherche

Comme la

machine rotor

bobin

Orientation du flux rotorique et

orientation simplifie du flux

rotorique comme la machine

rotor bobin

Machine rluctance

variable

Spcial, prototypes

disponibles et toujours en

recherche

Comme la

machine rotor

bobin

Comme la machine rotor

bobin

Commercialement, il est difficile de prvoir quel type de machine double

alimentation sera finalement russi. Cependant, nous pouvons affirmer d'aprs la littrature

que la machine rotor bobin standard et la machine rluctance variable restent plus

attractive par beaucoup de chercheurs. D'autre part, un intrt de plus en plus croissant est

accord actuellement la machine asynchrone en cascade et la machine sans balais, vu que

ces dernires prsentent un rendement lev d au courant rduit dans leurs rotors [HOP 01].

Jusqu' prsent et grce lvolution rcente dans les domaines de llectronique de

puissance et de la micro-informatique, la machine double alimentation standard reste la

machine la plus attractive de l'avis de nombreux chercheurs, vu qu'elle est bien adapte dans

plusieurs domaines dapplication. En effet, elle prsente une construction tablie et simple par

rapport aux autres types. Sa commande se fait sur la base dun convertisseur de puissance

disponible (AC/AC) ; de mme elle possde une commande par orientation de flux statorique

permettant dobtenir un contrle dcoupl des puissances active et ractive.


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1.5. Principe de fonctionnement de la DFIM

La DFIM est une machine asynchrone rotor bobin avec lenroulement du stator

connect directement au rseau. Le rotor est occup par des enroulements triphass relis un

convertisseur de puissance bidirectionnel par un systme ballais-bague.

Dans le cas o les nombres de ples du stator et du rotor sont identiques, la vitesse angulaire

de rotation du rotor est dfinie par :

mpmrsm .n; == (1.1)

Avec:

mest la vitesse mcanique du rotor ;

"s" et "r" dsignent les grandeurs statoriques et rotoriques respectivement ;

npest le nombre de paires de ples.

Le signe plus (+) dans l'quation (1.1) signifie que le champ tournant cr par les

enroulements du stator tourne dans le mme sens que celui cr par les enroulements du

rotor ; c'est--dire que la machine fonctionne en rgime hypo-synchrone ( sm

==

synchrone-hyperrgime0;

synchrone-hyporgime0;

f

fg

s

ms

s

r (1.3)

Les figures (1.5) et (1.6) reprsentent lvolution de la frquence et de la tension du

rotor en fonction du glissement [HOP 01], dans le cas o le circuit du stator est aliment

directement par le rseau (tension et frquence constantes), le rotor tant en circuit ouvert.

D'aprs ces figures, il est clair que les grandeurs rotoriques dpendent de la vitesse

oprationnelle de la machine.


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D'aprs l'quation (1.3) et les figures (1.5) et (1.6), on peut distinguer quatre rgimes de

fonctionnement pour la DFIM :

Stationnaire (g=1) :le stator est aliment directement par le rseau avec une frquence fs ;

par consquent, le rotor est le sige dune F.e.m induite avec une frquence fridentique

fs. Dans cette condition, la DFIM se comporte simplement comme un transformateur.

Hypo-synchrone (0


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rapport ce dernier, par consquent il ny a aucune tension induite dans les enroulements

du rotor.

Hyper-synchrone (g


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gnrateur, et si elle est entrane une vitesse infrieure de la vitesse de synchronisme

(rgime hypo-synchrone), la puissance Prest absorbe par le rotor de celle-ci (figure 1.7.c). Si

la vitesse d'entranement augmente au-del de la vitesse de synchronisme (rgime hyper-

synchrone), la puissance Pr change sa direction et le rotor fournit de la puissance pour une

ventuelle rcupration (figure 1.7.d).

La figure (1.8), montre l'volution des puissances mcanique et lectrique en fonction

de glissement qui sont fournies au rotor de la machine de telle sorte qu'on gnre une

puissance lectrique constante transmise au rseau via le stator de celle-ci (DFIM en mode

gnrateur). A larrt (g=1), la machine se comporte comme un transformateur. Lorsque la

vitesse augmente, la puissance mcanique volue linairement ; par contre la puissance

transmise au rotor dcrot. Une fois la machine atteint sa vitesse de synchronisme (g=0),

lcoulement de la puissance se transmet seulement entre le stator et le rotor. Au del de la

vitesse de synchronisme, le rotor commence aussi fournir la puissance au rseau avec une

volution linaire. On peut conclure d'aprs cette figure que le convertisseur associ au rotor

de la DFIM ne traite qu'une petite fraction de la puissance gnre par le stator dans le cas o

la vitesse d'entranement est proche de celle de synchronisme.

Cette figure montre galement l'avantage d'un systme double alimentation, en

projetant un systme vitesse variable de sorte que la gamme oprationnelle de vitesse soit

autour du point de synchronisme ; la manipulation de puissance du convertisseur de puissance

bidirectionnel peut tre considrablement rduite par rapport au systme simple alimentation.

Par exemple, une gamme de vitesse de 20% autour du point de synchronisme correspondant

une gamme de glissement de 0.2 -0.2. Par consquent, la puissance active maximale traite

par le convertisseur est de l'ordre de 20% de la puissance du stator [HOP 01].

g [p.u]

Puissances[p.u]

Fig. (1.8) : Evolution des puissances de la DFIM (mode gnrateur) en fonction deglissement (pertes ngligeables, couple constant)

gamme de vitesse

Ps

Pr


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Tab. (1.2) : Modes oprationnels de la DFIM

modes

Moteur

Pm>0

Gnrateur

Pm0

Pr


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l'accessibilit au rotor et au stator rend la mesure des courants possible, ce qui offre

une grande flexibilit et prcision pour le contrle de flux et du couple

lectromagntique ;

elle offre plusieurs possibilits de reconfiguration grce sa double alimentation ce

qui permet cette dernire de trouver un large domaine d'application ;

elle prsente une puissance massique lgrement plus leve que les autres machines

de grandes puissances ;

fonctionnement possible couple constant au-del de la vitesse nominale ;

le convertisseur li au rotor est dimensionn au tiers de la puissance nominale de la

machine pour une vitesse de fonctionnement autour de celle de synchronisme, dans ce

cas les pertes dans les interrupteurs semi-conducteurs sont faibles, et par consquent

un rendement lev du systme de conversion.

1.7.2 Inconvnients de la DFIM

Comparativement la machine asynchrone cage, la DFIM prsente des inconvnients

lis essentiellement au systme balais-bague comme :

Machine plus volumineuse que celle cage grce la prsence du systme balais

bague;

La prsence du systme engendre des effets indsirables sur la machine comme lesfrottements ;

Elle est moins fiable que celle cage cause de la prsence du systme balais-bague

et le bobinage du rotor ;

Ncessite une maintenance priodique, ce qui va augmenter le cot d'exploitation.

1.8 Domaine dapplication de la DFIM

1.8.1 Dans les systmes d'entranement vitesse variableLes systmes d'entranement lectriques transforment l'nergie lectrique en nergie

mcanique pour des applications utiles. Dans ce cas, le moteur lectrique est le composant

noyau d'un tel systme d'entranement lectrique.Gnralement, il y a trois critres essentiels

pour la slection des moteurs lectriques pour les applications dans les systmes

d'entranement vitesse variable :

Rendement nergtique ;

Exigence de la commande en vitesse ou en position ; Amlioration de la rponse en rgime transitoire.


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Le moteur, le convertisseur statique et le systme de commande sont les trois lments

constructifs dans les systmes d'entranement vitesse variable (figure 1.9). Dans ce cas, le

moteur doit assurer la rotation dans un sens ou l'autre avec la possibilit de freinage dans les

deux sens. Le convertisseur de puissance a pour objectif de contrler l'coulement de

puissance entre la source d'alimentation et le moteur. Son choix est affect par le niveau de

puissance, les quadrants oprationnels du moteur et la qualit de puissance. L'algorithme de

commande est utilis pour gnrer les signaux de commande pour le convertisseur de

puissance, afin de contrler le couple, la vitesse ou la position [TAN 94].

Grce au dveloppement rapide du moteur, du convertisseur et de la commande et leur

intgration, le domaine d'entranement vitesse variable a connu ces dernires annes un

essor considrable notamment ce qui concerne l'amlioration du rendement nergtique et les

hautes performances dynamiques offertes par celui-ci. Par consquent, le choix d'un tel

systme d'entranement vitesse variable s'appuit gnralement sur les critres suivants :

le cot ;

la fiabilit ;

les performances (rapidit, prcision et robustesse) ;

le rendement nergtique ;

la taille et le poids.

Le moteur asynchrone rotor bobin offre des nombreux avantages par rapport au

moteur asynchrone et synchrone surtout en ce qui concerne la gamme de la vitesse

oprationnelle et de la puissance dentranement. De plus, il prsente un comportement souple

la commande, ce qui lui permet de trouver un domaine dapplication trs vaste tel que le

laminoir, la traction ferroviaire, la propulsion des navires, le vhicule lectrique, le ventilateur

et la pompe deau.

Source de l'nergie

lectrique

Convertisseur

statique

Machine

lectrique

Charge

mcanique

Algorithme de

commande

Elments

auxiliaires

(Capteurs)

Fig. (1.9) :Architecture d'un systme d'entrainement vitesse variable


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1.8.2 Dans les systmes de gnration olienne vitesse variable

Une olienne vitesse variable a pour rle de convertir l'nergie cintique du vent en

nergie lectrique avec un rendement optimis. Par consquent, les diffrents lments du

systme olien sont conus pour maximiser cette conversion nergtique et d'une manire

gnrale, une bonne adquation entre les caractristiques couple/vitesse de la turbine et de la

gnratrice lectrique est indispensable. La figure (1.10), prsente la caractristique de la

puissance maximale capte en fonction de la vitesse de la turbine pour des diffrentes vitesses

du vent, dans le cas o l'orientation des pales est parfaitement ralise [TAN 94, ELA 04,

MIR 05].

Dans les systmes oliens de production de l'nergie lectrique vitesse variable, il

existe une solution nouvelle et originale, utilisant la machine asynchrone rotor bobin. Cettesolution est plus attractive pour toutes les applications o les variations de vitesse sont

limites autour de celle de synchronisme dont l'objectif d'avoir un convertisseur de puissance

dimensionn une fraction de 20-30 % de toute la puissance de systme, et ce qui permet de

minimiser les pertes et rduire le cot de celui-ci, [PET 03].

Dans la littrature, il existe deux catgories d'oliennes telles que les oliennes isoles

(autonomes) et les oliennes connectes au rseau.

1.8.2.1 Eolienne isole (autonome)

Les oliennes autonomes sont utilises dans des gammes de puissances de quelques

dizaines de Watts quelques dizaines de kW pour l'alimentation d'appareils lectriques

d'instrumentation ou d'clairage. Les plus petites oliennes sont utilises pour les bateaux, le

Vitesse de la turbine [rad/s]

Puissanceduven

t[W]

Puissance maximale

Vitesse du vent

v5> v4> v3>v2>v1

Fig. (1.10) :Caractristique puissance-vitesse de la turbine pour des diffrentes

vitesses du vent.

v1v2

v3

v4

v5

Pvmax1

Pvmax2

Pvmax3

Pvmax4

Pvmax5


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camping ou les stations mto. Les oliennes de plus grande puissance sont utilises pour la

production destine alimenter en nergie lectrique des villages isols [BOY 06].

Les points communs entre toutes ces oliennes sont leur faible puissance et leur association

une unit de stockage d'nergie, gnralement constitue de batteries d'accumulateurs (Fig

1.11), [CHE 06, BOY 06].

1.8.2.2 Eolienne connecte au rseau :

Les oliennes connectes au rseau de distribution sont souvent en fonctionnement

pour tester le potentiel olien du site considr appartenant des industriels ou des privs qui

produisent leur propre lectricit et revendent l'excdent au distributeur local.

Ce type de production dcentralise est rencontr de plus en plus avec le dveloppement

des primes et autres aides la production d'nergie lectrique propre. Les puissances de ces

oliennes peuvent varier, selon qu'il s'agit d'un exploitant priv ou industriel, de 50 kW 4.5

MW pour les plus rcentes oliennes du march. On estime que cette puissance augmentera

l'avenir, particulirement dans des applications en mer (Fig.1.12) [MUL 03], vu que ce milieu

est caractris par une vitesse de vent trs importante. Ces oliennes fonctionnent en

permanence et ont, le plus souvent, besoin d'tre raccordes un rseau puissant afin de

minimiser l'impact des fluctuations de la puissance gnre par ces dernires.

Multiplicateur de

vitesse

DFIM

Pvent

Fig. (1.11): Eolinne isole base de la DFIM.

Turbine

Convertisseur

AC/AC

Unit de

stockage

Charge

Pale


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Actuellement, la majorit des oliennes installes de puissance suprieure 1 MW

utilisent une machine asynchrone rotor bobin (DFIM) pilote par le rotor [MUL 03].

La figure (1.13) prsente le schma typique d'une olienne base de la machine

asynchrone rotor bobin connecte directement au rseau par son stator et alimente par

convertisseur AC/AC au niveau du rotor dimensionn pour faire trait une puissance rotorique

qui reprsente environ 30 % de la puissance nominale pour une vitesse d'entranement autour

de celle de synchronisme de la machine considre. Cest le principal intrt de ce type de

machines [SAL 07].

Fig. (1.12) : Eolienne installe en mer [MUL 03]

Multiplicateur de

vitesse

TransformateurDFIM

Rseau

Pvent

Fig. (1.13):Eolienne connecte au rseau base de la DFIM

Turbine

Convertisseur

AC/AC

Turbine


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1.9 Les diffrentes configurations de l'association DFIM/convertisseur de

puissance

La DFIM offre plusieurs possibilits de configuration avec son association avec les

convertisseurs de puissance. Ces configurations dpendent essentiellement du domaine

d'application de la DFIM. D'aprs la littrature, on peut distinguer les configurations

suivantes.

1.9.1DFIM avec un convertisseur AC/AC associ au rotor

Cette configuration qui est l'objectif de notre travail, est largement rpondue dans les

applications vitesse variable. Elle consiste connecter le stator de la DFIM directement au

rseau, alors que le rotor est aliment par un convertisseur AC/AC (figure 1.14). En plus, cette

dernire offre la possibilit d'avoir une commande dcouple des puissances active et

ractive, de mme qu'elle a un cot d'investissement rduit par rapport aux autres

configurations. Ces avantages expriment l'utilisation trs vaste de cette configuration de la

DFIM dans l'industrie et surtout dans les domaines des oliennes vitesse variable. La

configuration considre utilise des diffrents types des convertisseurs de puissances qui

seront exposs par la suite [LEO 97, PER 04, KHO 06, SAL 07].

Les travaux prsents dans la littrature de la DFIM montrent les bonnes performances

de cette dernire avec cette configuration. Ces travaux s'intressent principalement aux

stratgies de commande. Dans notre travail nous nous intressons non seulement aux

stratgies de commande de la DFIM mais aussi aux convertisseurs de puissances associs

cette dernire. Un choix adquat et convenable sera fait en fonction de notre problmatique.

Fig. (1.14) : Schma synoptique de la DFIM avec un convertisseur AC/AC associ au rotor

Convertisseur

de puissanceDFIM Transformateur

Rseau 3 50 Hz

AC

AC


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1.9.2. DFIM avec deux convertisseurs AC/AC

Cette solution consiste alimenter la DFIM par deux convertisseurs AC/AC, l'un au

stator et l'autre au rotor (figure 1.15). Cette dernire est gnralement plus rependue dans les

systmes d'entranement vitesse variable que ceux de gnration. Cette configuration offre

une grande souplesse la commande que celle prcdente (figure 1.14), ainsi qu'elle permet

de partager la frquence de rotation du rotor entre les deux convertisseurs, ce qui rduit les

pertes fer dans la machine et par consquent augmente le rendement [VID 04]. En plus, elle

prsente dans les applications de grandes puissances de bonnes performances trs basses

vitesses pour un fonctionnement sans capteur de vitesse, ainsi qu'elle offre la possibilit de

fonctionner en survitesse sans dmagntisation. Cependant, cette configuration prsente des

inconvnients majeurs notamment [DRI 05, KHO 06, SAL 07, VID 04]:

Elle est plus volumineuse. L'aspect multi-convertisseurs augmente le nombre de

convertisseurs et par consquent, le prix.

Le march traditionnel est domin par la premire configuration (figure 1.14) qui est

trs tudi et trs connue.

Elle ncessite une commande plus ou moins complique par rapport la premire

configuration.

1.10 Convertisseurs de puissance associs la DFIM

Bienquela puissance du rotor (de glissement) de la DFIM peut tre contrle partir

de la vitesse et du couple de celle-ci. Une simple et primitive mthode de contrle de lavitesse de la DFIM en mode moteur consiste modifier la rsistance rotorique. Si l'on utilise

Fig. (1.15) : Schma synoptique de la DFIM avec deux convertisseurs AC/AC

Convertisseur

de puissanceDFIM

Rseau 3 50 Hz

AC

AC

AC

AC


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pour cela un rhostat, on dissipe l'nergie active comme des pertes et on abaisse de faon

inacceptable le rendement du systme. Les avantages de cette mthode font que la machine

peut avoir un dmarrage souple avec un couple maximale sans pic de courant et sans

harmoniques transmis au rseau avec un facteur de puissance lev. Par consquent et pour

que le procd soit viable, il faut faire appel un convertisseur de puissance qui permet la

rcupration de l'nergie correspondante en la rinjectant dans le rseau dont le but

d'amliorer le rendement. D'aprs la littrature de la DFIM[DRI 05, LEO 97], on trouve deux

types de convertisseur qui sont utiliss pour contrler la puissance de glissement, notamment

celui propos par Kramerqui consiste utiliser un convertisseur AC-AC unidirectionnel en

rgime hypo-synchrone et celui utilis dans la mthode de Scherbius qui emploie un

convertisseur bidirectionnel en rgimes hypo/hyper synchrone. Pour une gamme de vitesse de

fonctionnement de la DFIM autour de sa vitesse de synchronisme [BOS 06, TEC Ing], la

DFIM prsente une puissance de glissement rduite et ce qui permet galement de rduire les

dimensions du convertisseur de puissance.

Le convertisseur statique est connect aux enroulements du rotor de la DFIM par un

systme ballais-bague. Il est dimensionn pour une puissance rotorique snmaxrn pgP = , avec

gmax: la valeur maximale de glissement et Psn: la puissance nominale du stator. En gnral,

max

g


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Les configurations des convertisseurs de puissances mentionnes prcdemment diffrent

en termes de cots, des quadrants oprationnels (deux ou quatre quadrants), des rgimes de

fonctionnement (rgime hypo-synchrone ou hyper-synchrone), des harmoniques du courant,

et de la rapidit de rponse la commande [BOL 06].

1.10.1 Redresseur non/et contrlable associ un onduleur MLI

thyristors

Si le redresseur non contrlable ( diodes) est utilis dans le ct rotorique de la

machine, l'coulement de la puissance du glissement est unidirectionnel, il se fait du rotor vers

le rseau par l'intermdiaire d'un transformateur lvateur. Dans ce cas, la DFIM peut

fonctionner comme moteur hypo-synchrone (g>0) et comme gnrateur hyper-synchrone

(g


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machine au point de synchronisme n'est pas faisable, mais le passage par ce point est possible

[BOL 06].

Le convertisseur AC-AC indirect montr par la figue (1.16) a deux types de

commutation soit naturelle ou bien force. La commutation force peut amliorer la situation

en terme de commutation plus rapide et plus sre et en terme de facteur de puissance

contrlable, alors que le cot d'exploitation devient important. La prsence d'une grande

bobine de lissage dans le bus continu demeure un inconvnient srieux en termes du cot et

de dimensionnement du convertisseur.

1.10.2 Cycloconvertisseur

Dans la configuration de la figure (1.16), le convertisseur redresseur/onduleur est

remplac par un cycloconvertiseur de sorte que l'coulement de la puissance de glissement

puisse tre command dans les deux directions (figures 1.17 et 1.18). Par consquent, on

obtient un fonctionnement en quatre quadrants de la DFIM. Dans ce cas la gamme

oprationnelle de la vitesse est typiquement limite 50 % de la vitesse de synchronisme. La

frquence maximale la sortie du cycloconvertisseur base d'un redresseur triphas point

mdian est de l'ordre de 1/3 de la frquence d'entre (figure 1.17), alors qu'elle est de l'ordre

de 1/2 de la frquence d'entre pour le cycloconvertisseur base de deux redresseurs triphass

en pont (figure 1.18). L'inversement du sens de rotation de la machine n'est pas possible dansce cas (de mme que pour la configuration avec redresseur-onduleur), parce que cette

situation ncessite l'inversion de l'ordre des phases d'alimentation du stator.

DFIM

Rseau 3

50Hz

Transformateur

abaisseur

Fig. (1.17) : Cycloconvertisseur base d'un redresseur triphas point mdian par phase

gPr

Redresseur triphas

point mdian


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Le cot trop cher et la complexit de la commande constituent les principaux

inconvnients pour le cycloconvertisseur ; cependant celui-ci offre des avantages comme celui

du courant rotorique qui est proche de la forme sinusodale, ce qui conduit des pertes

d'harmoniques rduites, et un facteur de puissance totalement contrlable au niveau du stator

[BOL 06, BON 98, DEL 07, SKV 02, TEC Ing].

1.10.3 Redresseur MLI de courant associ un onduleur MLI de tension

Les configurations prsentes prcdemment (figures 1.17 et 1.18) peuvent amener des

amliorations considrables aux performances si le cycloconvertisseur est remplac par un

redresseur MLI de courant associ un onduleur MLI de tension. Dans ce cas, il est possible

de contrler l'coulement de puissance de glissement dans les deux directions, par

l'implmentation d'une commande vectorielle aux deux convertisseurs. En plus, la frquence

de sortie du ct rotorique fr est limite seulement par la frquence de commutation des

interrupteurs de puissance qui peuvent tre des GTOs, IGBTs et IGCTs.

DFIM

Transformateur

abaisseur

Fig. (1.18) : Cycloconvertisseur base d'un redresseur triphas en pont par phase

gPr

Rseau 3

50Hz

Redresseur

triphas en pont


46/160


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Le convertisseur deux niveaux base des transistors IGBTs (figure 1.19) est

gnralement utilis aujourd'hui jusqu' 2 3 MW pour une tension de sortie de 690 V par

ligne. Pour des puissances suprieures 10 MW et des tensions suprieures 10 kV, les

convertisseurs multi-niveaux AC-AC avec un bus de tension continu sont adopts pour

l'alimentation de la DFIM.

La prsence d'un grand condensateur dans le bus de tension continu a pour objectif de

gnrer une puissance ractive contrlable ;la haute frquence de commutation (au-dessus de

1 kHz) permet de dcaler les harmoniques du courant dans le ct rotorique vers les hautes

frquences et ce qui facilite le procd de filtrage. D'autre part, la commutation rapide des

commutateurs de puissance prvoit une rponse trs rapide des puissances active et ractive.

Le convertisseur AC/AC avec un bus continu considr, constitue une solution

adquate pour un fonctionnement de la DFIM vitesse variable dans les quatre quadrants tout

en assurant son fonctionnement une vitesse de synchronisme. [BAR 07, BOS 06, BOL 06,

CAR 98, OTT 00].

1.10.4 Convertisseur Matriciel

Le convertisseur matriciel est une nouvelle gnration de convertisseurs directs

AC/AC, qui est constitu par des interrupteurs de puissance bidirectionnels ultra rapides.

Gnralement il a une topologie d'une source de tension. L'apparition des IGBTs et de

contrleurs puissants DSP permettent de mettre en vidence le convertisseur matriciel et

Fig. (1.19) : Redresseur MLI de courant associ un onduleur MLI de tension

C

Redresseur MLI

de courant

Onduleur MLI

de tension

DFIM

Transformateur

abaisseur

gPr

Rseau 3

50Hz


47/160


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d'exploiter les hautes performances apportes par celui-ci par rapport aux convertisseurs de

puissances traditionnels. La tension la sortie de celui-ci est forme par des sections de

tensions d'entre l'aide de techniques de commande MLI intelligentes. A l'entre du

convertisseur matriciel, on place un filtre LC pourle filtrage des harmoniques [BOL 06, IMA

06, LEE 06, PIN 07].

Le convertisseur matriciel offre plusieurs avantages par rapport aux convertisseurs

AC/AC prsents prcdemment notamment :

l'absence d'lments de stockage de puissance (comme dans le cas de l'association

Redresseur-Onduleur), ce qui augmente sa dure de vie ;

fonctionnement dans les quatre-quadrants et en grandes puissances, une commande

souple et dcouple des puissances active et ractive, de mme qu'on obtient une

fonctionnement avec un facteur de puissance ajustable ;

ultra rapide ;

un taux d'harmoniques modr et une frquence de sortie contrlable indpendamment

de celle de l'entre ;

fonctionnement possible avec un facteur de puissance unitaire l'entre.

La ralisation pratique du convertisseur matriciel exige des interrupteurs bidirectionnels

capables de bloquer la tension et le courant dans les deux directions, mais jusqu' nos jour ce

genre d'interrupteurs ne sont pas disponibles ce qui mne raliser ces derniers par la

combinaison d'interrupteurs comme les IGBTs, MCTs, IGCTs et MOSFETs avec les diodes

[WHE 04](figure 20).

S12S11 S13

S32S31 S33

S22S21 S23

Filtred'entreLC

Fig. (1.20) : Convertisseur matriciel

DFIM

Transformateur

abaisseur

gPr

Rseau 3

50Hz


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32

Comparativement aux convertisseurs classiques associs la DFIM, peu d'articles

traitent l'association du convertisseur matriciel la DFIM. Les quelques articles que l'on peut

trouver peuvent tre qualifis d'articles de rfrence et tentent de traiter en gnral la

modlisation et les stratgies de commande du convertisseur matriciel associ la machine

asynchrone cage et la machine synchrone[BOUC 98, IMA 06, LEE 06, WHE 02, WHE

04]. Les auteurs n'ont pas tranch de faon satisfaisante sur l'application du convertisseur

matriciel l'alimentation de la DFIM. Trs peu d'applications sont nommes ou vises

directement [ZHA 97, CHE 06, BAR 07, SUN 08].Pourtant, les avantages offerts par ce type

de convertisseur dans les applications exigeant une vitesse variable sont plus qu'vidents et

c'est pour cette raison nous avons orient notre travail dans ce sens de recherche.

1.11 Caractristique des interrupteurs semi-conducteur utiliss dans le

domaine vitesse variable

Aujourd'hui, le domaine d'entranement ou de gnration vitesse variable a connu un

essor considrable grce aux dveloppements des outils informatiques et des interrupteurs

semi-conducteurs puissants et performants, et ce qui offre la possibilit de raliser et de

dvelopper des convertisseurs de puissance et leurs commandes selon les besoins de

l'industrie.

Les systmes d'entranement et de gnration base de la DFIM prsents auparavant

utilisent diffrents types de convertisseurs qui peuvent tre caractriss en tant que

convertisseurs semi ou totalement commandables. Les convertisseurs semi-commandable sont

raliss base de thyristors ce qui les rend ces conomiques et fiables, sauf que la

consommation de l'nergie ractive et la gnration des harmoniques du courant qui

prsentent des difficults au filtrage constituent les inconvnients majors de ces derniers.Les

convertisseurs totalement commandables sont typiquement raliss par des thyristors GTO ou

des transistors ce qui conduit un fonctionnement haute frquence de commutation et par

consquent, les harmoniques sont dcals aux ordres suprieures ce qui facilite la procdure

de filtrage. Aujourd'hui le transistor le plus utilis est l'IGBT comme il est illustr dans le

tableau 1.3 [BON 98, HAN 01, ACK 05, OTT 00, BOS 06], la frquence typique de

commutation de ce transistor se situe dans la gamme de 2 20 kHz. En revanche, les

convertisseurs base de thyristors GTO ne peuvent pas atteindre des frquences de

commutation au-del de 1 kHz.


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Tab. (1.3) : Caractristiques d'interrupteurs semi-conducteur

Types d'interrupteurs semi-conducteur

GTO IGCT BJT MOSFET IGBT

Tension max (V) 6000 6000 1700 1000 6000

Courant max(A) 4000 2000 1000 28 1200

Intervalle de la

frquence de

commutation (kHz)

0.21 13 0.55 5100 220

Technique de

commandeHaute Basse moyenne basse Basse

Domaine

d'application

Trs fortes

puissances

Fortes

puissances

Moyennes

et fortes

puissances

Faibles

puissances

Moyennes

et fortes

puissances

Avec :

GTO: gate turn-off thyristor;

IGCT:integrated gate commutated thyristor;

BJT: bipolar junction transistor;

MOSFET:metal oxide semiconductor field effect transistor;

IGBT:transistors jonction et effet de champ (insulated gate bipolar transistor).

1.12 Etat de l'art sur les stratgies de commande de la DFIM

La littrature porte un grand intrt la machine asynchrone rotor bobin en tant que

moteur, dans le domaine des entranements vitesse variable et en tant que gnratrice dans le

domaine de gnration de l'nergie lectrique vitesse variable notamment dans les systmes

oliens.

Par ailleurs, la DFIM et grce sa double alimentation offre plusieurs possibilits de

reconfiguration comme il est montr auparavant. Dans ce qui suit, nous prsentons les travaux

significatifs consacrs la DFIM. Pour chacun d'entre eux, nous mentionnerons l'application

vise de la DFIM, la stratgie de commande adopte ainsi que le type de convertisseur utilis

et leur stratgie de commande. Dans ce cas, nous nous intresserons seulement aux travaux

concernant la configuration avec un seul convertisseur li au rotor qui constitue le but de notre


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travail. Cet axe de recherche est trs riche aux travaux des chercheurs, vu l'intrt port aux

nergies renouvelables et plus prcisment l'nergie olienne.

1.12.1 Fonctionnement moteur

Pour le cas de l'application moteur de la DFIM, la majorit des tudes ont t

consacres aux stratgies de commande linaires et non linaires avec ou sans capteur de

vitesse ou de position. Dans ces tudes, on trouve la commande vectorielle par orientation du

flux statorique ou d'entrefer comme la stratgie la plus attractive. Gnralement, les

convertisseurs utiliss sont soient les cycloconvertisseurs ou les onduleurs base d'IGBTs.

L. Morel [MOR 98] a ralis une tude d'une DFIM dont le stator est reli au rseau et le

rotor est aliment par un onduleur. Il assure que cette configuration permet de dimensionner le

convertisseur de puissance reli au rotor 20% de la puissance mcanique maximale. Lacommande vectorielle effectue est champ orient. Afin d'obtenir un moteur ou un

gnrateur vitesse variable, il propose de passer par trois modes diffrents pour amener la

vitesse du moteur de zro sa vitesse nominale : mode I, dmarrage du moteur avec les

enroulements statoriques en court-circuit ; mode II, connexion du stator au rseau ; mode III,

alimentation du stator de la DFIM par rseau (tension et frquence fixe), ainsi que le rotor par

un convertisseur de puissance. Le fonctionnement d'un tel systme durant les diffrents modes

est tabli avec une validation par des rsultats exprimentaux.

B. Hopfensperger[HOP 00], propose l'tude d'une DFIM dont le stator est reli un rseau

triphas, alors que le rotor est aliment par un onduleur MLI associ un redresseur. Il

s'intresse au fonctionnement en mode moteur et vise des applications vitesse variable. Il

adopte une commande vectorielle par l'orientation du flux statorique avec et sans capteur de

position. Dans le cas de l'absence du capteur de position, il propose deux mthodes pour

dterminer la position angulaire du repre li au flux statorique : une premire base sur la

mesure et l'expression des composantes du courant statorique dans le repre tournant

considr, la seconde ncessite la mesure des puissances active et ractive statoriques.

Ensuite, cette tude est valide par des rsultats exprimentaux.

M. Machmoum [MAC 92], propose une tude des performances d'une DFIM en rgime

permanent dont le stator est connect au rseau, alors que le rotor est aliment par un

cycloconvertisseur de courant. Son tude vise des applications vitesse variable, que le

fonctionnement soit en moteur ou en gnrateur. L'auteur choisit une stratgie de commande

qui consiste aligner l'axe "d" de son repre tournant avec le courant rotorique dont le but de

contrler les courants rotoriques et l'angle de charge (dphasage entre la tension statorique et


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le repre considr). L'expression analytique du couple est divise en deux parties, une partie

due au courant rotorique et l'autre due l'interaction entre l'alimentation du stator et celle du

rotor. Cette tude est valide par des rsultats exprimentaux qui permettent de conclure que

la stabilit du systme est tablie dans une gamme limite de la variation de l'angle de charge.

S. Peresada [PER 99], propose un rgulateur par retour d'tat de la vitesse et du flux d'un

moteur asynchrone rotor bobin dont le stator est aliment directement par le rseau alors

que le rotor est aliment par l'association redresseur/onduleur MLI. L'auteur vise deux buts

principaux : le premier est degarantir une bonne poursuite de la vitesse sa rfrence, et le

deuxime est le rglage de la puissance ractive du ct statorique autour de sa valeur nulle en

rgime permanant.Dans ce cas, L'estimation du courant rotorique et la mesure de la vitesse

comme un retour d'tat sont ncessaires pour construire ce rgulateur. Il propose une approche

originale pour concevoir le rgulateur qui consiste dcomposer le modle de la DFIM en

deux sous-systme coupls : le premier est celui du flux statorique et le deuxime est celui de

la vitesse. Il constate que, le sous-systme du flux est exponentiellement stabilis et

indpendant du comportement de vitesse, alors que le sous-systme de la vitesse est

asymptotiquement linaris et dcoupl de la dynamique du flux et par consquent la stabilit

asymptotique globale du systme complet est thoriquement tablie.Son tude est valide par

des rsultats de simulation.

H. Azaza[AZA 02, AZA 05], traite la commande d'un moteur asynchrone rotor bobin dont

le stator est aliment directement par le rseau alors que le rotor est aliment par l'association

des deux onduleurs MLI de tensions contrls en courant et spars entre eux par un lien

continu. Les deux onduleurs sont commands par la stratgie de commande vectorielle base

sur l'orientation du flux statorique. L'application de la commande vectorielle par orientation

du flux statorique l'onduleur du ct rotorique permet d'obtenir de hautes performances en

rgimes permanant et transitoire. L'opration facteur de puissance unitaire est ralise par la

commande vectorielle des puissances active et ractive. Cette tude est valide par des

rsultats de simulation.

C. Batlle [BAT 07], propose une commande vectorielle par l'orientation de la tension

statorique pour le rglage des puissances active et ractive au niveau du stator d'une machine

asynchrone rotor bobin alimente par l'association redresseur/onduleur MLI au niveau du

rotor, alors que le stator est connect directement au rseau. Cette mthode permet d'obtenir

une commande dcouple des puissances active et ractive par le rglage des composantes du

courant statorique, dont la stabilit globale du systme DFIM est assure. Cette tude estvalide par la simulation et par l'exprimentation.


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I. Shapoval[SHA 08], prsente un algorithme de commande vectorielle indirecte du couple et

de la puissance ractive de la machine asynchrone rotor bobin alimente par un

convertisseur matriciel au niveau du rotor, alors que le stator est aliment directement par le

rseau. Cette mthode est base sur l'orientation du rfrentiel suivant le vecteur de la tension

statorique. L'auteur a adopt la stratgie de commande par modulation vectorielle SVM

(space vector modulation) pour le convertisseur matriciel. Il prsente ensuite quelques

rsultats exprimentaux pour les deux modes de fonctionnements de la DFIM (moteur ou

gnrateur). Il constate que l'algorithme propos assure une bonne poursuite du couple sa

rfrence et garantit un fonctionnement avec un facteur de puissance unitaire. Les formes

d'ondes des courants obtenues l'entre du stator et l'entre du convertisseur matriciel sont

satisfaisantes (proches de la forme sinusodale).

A. K. Dalal[DAL 06], propose une tude de simulation sur la commande de la vitesse par des

rgulateurs PI du moteur asynchrone rotor bobin dont le stator est aliment directement

par le rseau, alors que le rotor est aliment par un convertisseur matriciel afin de raliser une

commande avec un facteur de puissance unitaire. La technique de commande MLI vectorielle

est adopte pour la commande du convertisseur matriciel. Cette tude est valide par

simulation. D'aprs les rsultats de simulation, l'auteur constate que le rglage de la puissance

de glissement par un convertisseur matriciel apporte une amlioration significative au niveau

de la qualit de puissance du systme considr par rapport au cycloconvertisseur. Ceci est

prouv par un courant quasiment sinusodal avec un facteur de puissance unitaire l'entre du

convertisseur matriciel, ainsi qu'une tension presque sinusodale la sortie de celui-ci, qui

permet d'avoir un courant sinusodal dans le rotor, et ce qui conduit une amlioration du

rendement et une rduction du taux d'harmoniques dans le systme.

S. Sunter[SUN 08]fait l'tude d'une commande par l'orientation de flux rotorique base sur

le principe de la rcupration de la puissance de glissement d'un moteur asynchrone rotor

bobin. Le systme d'entranement propos utilise un convertisseur matriciel command par la

technique de modulation Venturinisimplifie au lieu d'un convertisseur AC-DC-AC, pour la

rcupration de la puissance de glissement dans le rotor et la rinjection dans le stator qui est

connect directement au rseau. Il constate que l'opration en rgimes hypo-synchrone et

hyper-synchrone du systme d'entranement propos est possible. Des rsultats de simulation

qui prsentent les rponses de la vitesse, du couple lectromagntique, des courants l'entre

et la sortie du convertisseur matriciel et des puissances, attestent du bon comportement du

systme d'entranement propos. L'auteur constate que les rsultats obtenus montrent que lesystme d'entranement base d'un convertisseur matriciel fonctionne efficacement en rgime


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hypo-synchrone et ceci rside dans la forme propre (sans harmoniques) de la puissance de

glissement rinjecte au rse

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