Rpublique Algrienne Dmocratique et Populaire
Ministre de lEnseignement Suprieur et de la Recherche Scientifique
UUnniivveerrssiitt ddeess SScciieenncceess eett ddee llaa TTeecchhnnoollooggiiee dd''OOrraann
DDppaarrtteemmeenntt ddee llEElleeccttrrootteecchhnniiqquuee
EEccoollee ddooccttoorraallee ggnniiee lleeccttrriiqquuee
Mmoire de MagisterEn vue dobtention du diplme de magister en
lectrotechnique
Option : Commande lectrique
Prsent par
MMrr :: BBEENNAAOOUUDDAA OOMMAARR FFEETTHHII
Thme
Prsent le 05 /03 / 2013 devant le jury compos de messieurs:
Prsident : MAZARI .B Professeur, USTO
Rapporteur : BENDIABDELLAH.A M.C(A), USTO
Examinateur : BOURAHLA .M Professeur, USTO
Examinateur : BENDJABBAR .M M.C(A), USTO
USTO - 2013
APPLICATION DES TECHNIQUES DE LINTELLIGENCE ARTIFICEILLE
(LF-RN) POUR LE CONTROLE DIRECT DU COUPLE DUNE MAS
ALIMENTEE PAR DES ONDULEURS MULTINIVEAUX.
REMERCIEMENTS
Quil me soit dabord permis de remercier et dexprimer ma gratitude envers le bon Dieu, qui ma
donn la patience et le courage pour que je puisse termin ce travail.
Je commencerais par exprimer ma profonde gratitude envers mon encadreur : Monsieur
BENDIABDELLAH AZZEDINE, Professeur lUniversit des sciences et de la technologie
d'Oran, pour la confiance quil ma toujours attribue. Jai tout particulirement apprci ses
encouragements et ses conseils, surtout en fin de thse. Notre collaboration ma permis de
progresser et de me constituer de solides bases pour le futur. En outre, il ma permis de
comprendre de ne jamais abandonner en recherche malgr les nombreux obstacles...
Je tiens exprimer mes sincres remerciements Monsieur MAZARI-B, Professeur
lUniversit des sciences et de la technologie d'Oran, pour lhonneur quil ma fait en acceptant
de prsider le jury de cette thse.
Jexprime aussi ma profonde reconnaissance Monsieur BOURAHLA-M, Matre de confrence
lUniversit des sciences et de la technologie d'Oran, pour avoir accept de juger ce travail.
Que Monsieur BENDJABBAR-M, Matre de Confrence lUniversit des sciences et de la
technologie d'Oran, trouve ici l'expression de ma profonde gratitude pour m'avoir fait l'honneur
d'avoir accepter de juger ce travail.
Mes remerciements sadressent aussi tous mes collgues, mes amis et tous les membres de ma
famille, pour leurs encouragements et leur appui moral qui mont permis de mener bon terme ce
travail.
Je profite de cette occasion pour leur dire tous que je vous aime beaucoup.
Ddicace
A ceux qui sont les plus chers au monde, ma mre et mon pre qui je
n'arriverai jamais exprimer ma gratitude et ma reconnaissance, pour leur amour
leur soutien tout au long de mes tudes afin de faire de moi ce que je suis
aujourd'hui, que dieu les protge.
A mes frres,
A mes surs,
A toute ma grande famille,
A tous mes amis,
Je ddie ce modeste travail.
SOMMAIRE
ISommaire
SommaireSommaire ................................................................................................................................................................INomenclature ........................................................................................................................................................ VI
Liste des figures....................................................................................................................................................VII
Liste des tableaux .................................................................................................................................................XII
Introduction gnrale............................................................................................................................................... 1
CHAPITRE I: Modlisation de la machine asynchrone et son alimentation
I.1 Introduction...................................................................................................................................................... 3I.2 MODELISATION DE LA MACHINE ASYNCHRONE TRIPHASEE .................................................... 3
I.2.1 Equations lectriques .................................................................................................................................. 5
I.2.2 Equations magntiques .............................................................................................................................. 5
I.2.3 Transformation de Park.............................................................................................................................. 6
I.2.4 Equations lectromagntique ...................................................................................................................... 7
I.2.5 Choix du repre .......................................................................................................................................... 8
I.2.5.1 quations en tension dans le repre li au stator (, ) ........................................................................ 9I.2.5.2 Modle dtat de la machine dans le rfrentiel lie au stator (, ) ................................................... 9
Forme dtat du modle de la machine asynchrone dans le rfrentiel (, ) .................................................. 10
I.3 SIMULATION DE LA MACHINE ASYNCHRONE ................................................................................ 10I.3.1 Rsultats de simulation ............................................................................................................................ 11
I.3.1.1 Marche vide ................................................................................................................................... 11
I.3.1.1.1 Interprtations des rsultants .................................................................................................... 12
I.3.1.2 Application d'une charge (Cr=10N.m) ....................................................................................................... 13
I.3.1.2.1 Interprtations des resultants .................................................................................................................. 13
I.4 Onduleur de tension ........................................................................................................................................ 14
I.5 Modlisation de londuleur de tension ............................................................................................................ 14
I.5.1 Etude de la commande de londuleur ....................................................................................................... 19
I.5.2 Rsultat de simulation ................................................................................................................................... 22
I.6 Le schmas Bloc de la MAS alimente par onduleur de tension deux niveaux ........................................... 22
I.6.1 Rsultats de simulation ............................................................................................................................ 23
I.6.2 Interprtations des rsultants .................................................................................................................... 24
I.7 CONCLUSION .............................................................................................................................................. 24
II
Sommaire
CHAPITRE II: Contrle direct du couple de la machine asynchrone alimente par deux typesdonduleurs.
II.1 Introduction..................................................................................................................................................... 25
II.2 PRINCIPE D'UN CONTROLE DIRECTE DE COUPLE ....................................................................... 25II.2.1 Contrle du vecteur flux statorique ........................................................................................................ 26
II.2.1 Contrle du couple lectromagntique de la machine ........................................................................... 27
II.2.3 Cas particulier : Application d'une vecteur de tension nul ..................................................................... 29
II.3 APPLICATION DE L'ONDULEUR DE TENSION A DEUX NIVEAUX ............................................. 30
II.3.1 Slection du vecteur tension V .............................................................................................................. 30II.3.2 Estimation du flux statorique .................................................................................................................. 30
II.3.3 Estimation du couple lectromagntique ................................................................................................ 32
II.4 ELABORATION DES CONTROLEURS.................................................................................................. 33II.4.1 Contrleur de flux deux niveaux .......................................................................................................... 33
II.4.1 Contrleur de couple deux niveaux ..................................................................................................... 34
II.5 ELABORATION DES TABLES DE COMMANDE ................................................................................ 34II.5.1 table de commande du flux ..................................................................................................................... 35
II.5.2 table de commande du couple ................................................................................................................. 35
II.5 Elaboration de la table de commutation pour le flux et le couple ................................................................... 35
II.5.3.1 Table de commutation avec les vecteurs tension actifs.................................................................... 35
II.5.3.2 Table de commutation avec les vecteurs tension nulls..................................................................... 36
II.6 REGLAGE DE VITESSE DE LA MAS .................................................................................................... 38II.6.1 Rsultats de simulation ........................................................................................................................... 39
II.7 CORRECTEUR DU COUPLE A TROIS NIVEAUX .............................................................................. 41II.7.1Elaboration de la Table de commutation avec les vecteurs tension actifs............................................ 41
II.7.1.1Rsultats de simulation .. ........................................................................................................ 42
II.7.2Elaboration de la Table de commutation avec les vecteurs tension actifs et nulls ............................... 43
II.7.2.1Rsultats de simulation .. ........................................................................................................ 43
II.8 AMELIORATION CLASSIQUE .............................................................................................................. 45II.8.1Correcteur de couple quatre niveaux ................................................................................................ 46
II.8.1.1Elaboration de la Table de commutation avec les vecteurs tension actifs et nulls ............................ 47
II.8.1.2 Rsultats de simulation ................................................................................................................... 47
II.9 Onduleur de tension trois niveaux ............................................................................................................... 49
II.9.1 Les diffrentes configurations dun bras donduleur trois niveaux ................................................. 50
II.9.2 L Commande complmentaire des interrupteurs dun bras donduleurs trois niveaux ................... 52
II.9.3 Modlisation vectorielle de londuleur de tension trois niveaux ..................................................... 53
II.9.4 Les vecteurs de tension de sortie de londuleur trois niveaux de tension ........................................ 54
II.10 Application de l'onduleur de tension trois niveaux ................................................................................... 56
II.10.1 Contrle du couple et du flux ........................................................................................................... 56
III
Sommaire
II.10.2 Construction des nouvelles tables de commutation .................................................................................. 57
II.10.2.1 Table de commutation avec le groupe des vecteurs demie tension ............................................... 57
II.10.2.2 Table de commutation avec le groupe des vecteurs pleine tension ............................................... 57
II.10.2.3 Table de commutation avec le groupe des vecteurs tension intermdiaires .................................. 58
II.10.3 Correcteur de couple cinq niveaux ......................................................................................................... 58
II.10.3.1 Elaboration de la table de commutation avec les 4 groupes ....................................................... 60
II.10.3.1.1 Rsultats de simulation .............................................................................................................. 60
II.10.4 Amlioration classique ............................................................................................................................. 62
II.10.4.1 Elaboration de la table de commutation avec les 4 groupes ........................................................ 63
II.10.4.1.1 Premire approche .. ......................................................................................................... 63
II.10.4.1.2 Rsultats de simulation .. .................................................................................................. 64
II.10.4.1.3 Deuxime approche .. ....................................................................................................... 66
II.10.4.1.4 Rsultats de simulation .. .................................................................................................. 67
II.11 CONCLUSION .......................................................................................................................................... 68
CHAPITRE III: Contrle directe du couple base de la logique floue.
III.1 INTRODUCTION ...................................................................................................................................... 69III.1.1 Quelques dfinitions ....................................................................................................................... 69
III.1.2 Ensemble floue ............................................................................................................................... 69
III.1.3 Difference entre ensemble flou et ensemble boolen ..................................................................... 70
III.2 FONCTION D'APPARTENANCE........................................................................................................... 71III.3 VARIABLE LINGUISTIQUE .................................................................................................................. 72III.4 OPERATEURS DE LA LOGIQUE FLOUE .......................................................................................... 72III.5 STRUCTURE D'UN REGULATEUR FLOUE ....................................................................................... 74
III.5.1 Module de fuzzification .................................................................................................................. 75
III.5.2 Fuzzification ................................................................................................................................... 75
III.5.3 Base de connaissances .................................................................................................................... 75
III.5.4 Logique de prise de discision (bloc d'infrence) ............................................................................. 75
III.5.5 Infrences floues .............................................................................................................................. 75
III.5.5.1 Mthode d'infrence max-min .. ........................................................................................... 77
III.5.5.2 Mthode d'infrence max-produit ........................................................................................ 78
III.5.5.3 Mthode d'infrence som-produit .. ...................................................................................... 79
III.5.6 Dfuzzification ................................................................................................................................ 80
III.6 ARCHITECTURE DUNE COMMANDE FLOUE ............................................................................... 80III.7 CONTROLE DIRECT DU COUPLE A BASE DE LA LOGIQUE FLOUE ....................................... 81
III.7.1 Choix des fonctions d'appartenances ............................................................................................... 82
III.7.1.1 Fuzzification .. ....................................................................................................................... 82
IV
Sommaire
III.7.1.2 Variable de commande.. ........................................................................................................ 82
III.7.1.3 dfuzzifivation.. ..................................................................................................................... 83
III.7.2 Le contrle floue et choix des variables d'entre et sortie ................................................................. 83
III.7.2.1.1Calcul de lois de commande .. ............................................................................................. 85
III.7.2.1.2 Table de commutation .. ..................................................................................................... 86
III.7.2.1.3 Rsultats de simulation .. .................................................................................................... 87
III.7.2.2 Cas d'un onduleur trois niveaux .. ............................................................................................. 89
III.7.2.2.1Calcul de la lois de commande .. ......................................................................................... 91
III.7.2.1.2 Table de commutation .. ..................................................................................................... 91
III.7.2.1.3 Rsultats de simulation .. .................................................................................................... 93
III.8 CONCLUSION .......................................................................................................................................... 94
CHAPITRE IV:Contrle directe du couple base des rseaux de neurones
IV.1 INTRODUCTION....................................................................................................................................... 95IV.2 RESEAUX DE NEURONE ARTIFICIELS ............................................................................................. 95
IV.2.1 Dfinition ....................................................................................................................................... 95
IV.2.2 Neurones formels ........................................................................................................................... 95
IV.2.3 Interprtation mathmatique d'un rseau de neurone ..................................................................... 96
IV.2.4 Fonction d'activation ...................................................................................................................... 97
III.2.4.1 La fonction de transfert ......................................................................................................... 99
IV.2.5 Perceptrons multicouches ............................................................................................................. 100
IV.3 COMMANDE NEURONALE DIRECTE DU COUPLE (DTNC) ...................................................... 101IV.3.1 Choix des variable d'entres des RNA ........................................................................................ 103
IV.3.2 Choix des variable de sortie des RNA ......................................................................................... 103
IV.3.3 Construction de la base d'apprentissage ...................................................................................... 103
IV.3.4 Rsultat de simulation ................................................................................................................. 105
IV.3.5 Application des RNA sur la DTC pour des correcteur de couple trois niveaux (six secteurs) . 107
IV.3.6 Application des RNA sur la DTC pour des correcteur de couple quatre niveaux (12 secteurs) 109
IV.3.7 Rsultat de simulation ................................................................................................................. 111
IV.4 CONCLUSION ......................................................................................................................................... 113Conclusion gnrale ......................................................................................................................................... 119
Annexe A ............................................................................................................................................................ 122
Annexe B ............................................................................................................................................................ 123
Bibliographique ................................................................................................................................................. 129
VI
Nomenclature
NomenclatureParamtres du ModleR Rsistance statorique.R Rsistance rotorique.L Linductance propre dune phase statorique.L Linductance propre dune phase rotorique.M La mutuelle inductance entre phases statoriques et rotoriquesJ Moment dinertie du rotor.P Nombre de paires de ples.Variables lectriques et mcaniques de la machineV La tension statorique.I Le courant statorique.I Le courant rotorique. Le flux du stator.
Le flux du rotor.
La pulsation statorique.
La pulsation mcanique.
Langle lectrique entre le rotor et le stator.
Langle lectrique entre laxe d et le rotor.
Langle lectrique entre laxe d et le stator.
= 1
Coefficient de dispersion de BlondelT =
La constante de temps rotorique.T =
La constante de temps statorique.
langle entre les vecteurs flux statorique et rotorique.C Couple de charge.Indicesa, b, c Variables exprimes dans le repre fixe triphas.d, q Variables exprimes dans le repre (d,q) tournant la vitesse synchrone., Variables exprimes dans le repre fixe biphas (,).x, y Variables exprimes dans le repre rotorique biphas (x, y).
VII
Nomenclature
Variables de commande et de rgulationT La priode d'chantillonnage.K,K Le gain proportionnel et intgral de lestimateur PI.C Le couple de rfrence. Le flux de rfrence.
Le pas d'apprentissage.V, V, V Tensions dentre londuleur.V Vecteur tension.N Numro de zone de position du flux statorique
La frquence de porteuse.
Erreur du flux.
Erreur du couple.
Facteur dappartenance des variables linguistiques.
(w1, ..., wn) Les poids synaptiques
ABRVIATIONS
MAS Machine asynchrone.
FOC Acronyme de Field oriented control.
DTC Acronyme de Direct torque control.
DSC Acronyme de Direct self control.
SVM Acronyme de Space vector modulation.
PWM Acronyme Pulse with modulation.
IGBT Acronyme insolated gate bipolar transistor.
GTO Acronyme Gate Turn Off.
ANN Acronyme artificial neural networks.
MLI Modulation par largeur dimpulsion.
RN Rseaux neurone.
LF Logique floue.
DTNC Commande neuronale directe du couple.
DTFC Commande floue directe du couple.
-Les autres symboles utiliss son dfinis dans le texte.
LISTE DES FIGURES
VII
Liste des figures
Liste des figuresFigure Titre Page
Figure (I.01) Reprsentation schmatique d'une machine asynchrone ............. .04
Figure (I.02) Reprage angulaire des systmes daxes dans lespace angulaire ....... 08
Figure (I.03) Reprsentation shematique d'une machine asynchrone biphasee
Dans le repere (, ).............................................................................. 09Figure (I.04) Schma bloc de la MAS alimente par un rseau triphas quilibr... 11
Figure (I.05) Dmarrage vide du moteur asynchrone triphas aliment par une
Source de tension quilibre sinusodale ............................................. 11
Figure (I.06) Dmarrage vide du moteur asynchrone triphas aliment par une
Dun couple rsistant (Cr=10Nm t=1.5sec) ....................................... 13
Figure (I.07) Reprsentation de lensemble onduleur-MAS ............................ .15
Figure (I.08) Correspondance entre chaque configuration onduleur et vecteur
Tension ................................................................................................. 18
Figure (I.09) Vecteur tension et squences du niveau de phase dun onduleur
deux niveaux ........................................................................................ 19
Figure (I.10) Projection du vecteur de rfrence (secteur 1) ............................ .21
Figure (I.11) Reprsentation des tensions la sortie de londuleur ................. .22
Figure (I.12) Schma bloc de la MAS alimente par un onduleur triphase
deux niveaux ........................................................................................ 22
Figure (I.13) Caractristiques de la machine asynchrone alimente par onduleur
deux niveaux lors dune application dun couple rsistant
(Cr=10Nm t=1.5sec) .......................................................................... 23
Figure (II.01) Application d'un vecteur tension statorique qui permet de diminuer le
module du flux statorique ..................................................................... 26
Figure (II.02) Application dun vecteur tension statorique qui permet
d'augmenter diminuer le module du flux statorique ............................ 26
Figure (II.03) Trajectoire du flux statorique ............................................................... 27
Figure (II.04) Evolution du couple lectromagntique pour une variation
positive de la vitesse de rotation > 0 => C ............................ 29
VIII
Liste des figures
Figure (II.05) Evolution du couple lectromagntique pour une variation
ngative de la vitesse de rotation < 0 => C ........................... 29Figure (II.06) Application dun vecteur nul, le terme rsistif est ngligeable ........... 29
Figure (II.07) schma de contrle direct de couple pour un onduleur deux
niveaux ................................................................................................ 30
Figure (II.08) Choix du vecteur tension ...................................................................... 31
Figure (II.09) Correcteur du flux hystrsis et slection des vecteurs tension
correspondants ...................................................................................... 33
Figure (II.10) Rsultats de simulation avec correcteur du couple deux niveaux
et sans rgulateur de vitesse ................................................................. 38
Figure (II.11) Diagramme fonctionnel de rglage de vitesse ..................................... 39
Figure (II.12) Rsultats de simulation avec correcteur du couple deux niveaux
niveaux et avec rgulateur de vitesse ................................................... 38
Figure (II.13) Correcteur du couple trois nivaux ..................................................... 41
Figure (II.14) Rsultats de simulation avec correcteur du couple trois niveaux
et sans vecteurs tension nulls ............................................................... 43
Figure (II.15) Rsultats de simulation avec correcteur de couple trois niveaux
avec les vecteurs tension nuls et actifs ................................................. 45
Figure (II.16) Reprsentation des 12 devisions du plan complexe ............................. 45
Figure (II.17) Correcteur du couple quatre niveaux ................................................. 46
Figure (II.18) Rsultats de simulation avec correcteur de couple quatre
niveauxavec les vecteurs tension nuls et actifs .................................... 49
Figure (II.19) Onduleur de tension trois niveaux structure NPC .......................... 50
Figure (II.20) Interrupteur bidirectionnel quivalent de la paire diode transistor ...... 50
Figure (II.21) Les diffrentes configurations possibles pour un bras donduleur
trois niveaux ..................................................................................... 51
Figure (II.22) Prsentation vectorielle de la tension de sortie .................................... 55
Figure (II.23) Schma du contrle direct du couple-onduleur trois niveaux ........... 56
Figure (II.24) Correcteur de couple cinq niveaux .................................................... 59
Figure (II.25) Rsultats de simulation avec correcteur de couple cinq niveaux,
IX
Liste des figures
onduleur de tension trois niveaux, avec les 4 groupes des
vecteurs tension .................................................................................... 62
Figure (II.26) Rsultats de simulation avec correcteur de couple cinq niveaux,
onduleur de tension trois niveaux, avec les 4 groupes de vecteur
tension pour la premire approche ....................................................... 66
Figure (II.27) Rsultats de simulation avec correcteur de couple cinq niveaux,
onduleur de tension trois niveaux, avec les 4 groupes de vecteur
tension pour la deuxime approche ...................................................... 68
Figure (III.01) Format d'un ensemble flou normalis .................................................. 70
Figure (III.02) Reprsentation de " Grand " dans le cas boolen et flou ...................... 70
Figure (III.03) Classification des humains selon leur ge ............................................ 71
Figure (III.04) Classification de la temprature selon la logique floue ....................... 72
Figure (III.05) Oprateur NON .................................................................................... 73
Figure (III.06) Oprateurs logiques : (A) ensembles flous a et b ; (B) ensembles
flous ab ; (C) ensembles flous aUb .................................................. 74
Figure (III.07) Le schma gnral dune commande floue .......................................... 74
Figure (III.08) Exemple dinfrence MAX-MIN (Mamdani) ......................................... 78
Figure (III.09) Exemple dinfrence MAX- PRODUIT .............................................. 79
Figure (III.10) Architecture dune commande floue .................................................... 81
Figure (III.11) Schma du contrle direct du couple ................................................... 82
Figure (III.12) Fonction dappartenance de lerreur du flux ................................... 84
Figure (III.13) Fonction dappartenance de lerreur du couple . ............................... 84
Figure (III.14) Fonction dappartenance de la position ............................................ 85
Figure (III.15) Fonction dappartenance de ltat de commutation des interrupteurs. . 85
Figure (III.16) Structure du contrleur flou pour londuleur deux niveaux. .............. 86
Figure (III.17) Allures des vitesses, du couple, du courant et du flux statorique. ........ 89
Figure (III.18) Fonction dappartenance de lerreur du flux . ................................... 89
Figure (III.19) Fonction dappartenance de lerreur du couple ................................ 90
Figure (III.20) Fonction dappartenance de la position ............................................ 90
Figure (III.21) Structure du controleur flou pour l'onduleur deux niveaux................ 90
Figure (III.22) Allures des vitesses, du couple, du courant et du flux statorique. ........ 94
Figure (IV.01) Mise en correspondance neurone biologique/neurone. ......................... 96
Figure (IV.02) Le neurone formel de Mac Culloch et Pitts ......................................... 96
Figure (IV.03) Fonction identit ................................................................................... 97
XListe des figures
Figure (IV.04) Fonction a seuil .................................................................................... 98
Figure (IV.05) Fonction signe ...................................................................................... 98
Figure (IV.06) Fonction log-sigmode ......................................................................... 98
Figure (IV.07) Fonction tan- sigmode ......................................................................... 99
Figure (IV.08) Fonction dappartenance de ltat de commutation des avant .............. 99
Figure (IV.09) Commande directe du couple dune MAS bas sur les RN................ 102
Figure (IV.10) Structure interne dun contrleur base de rseau de neurone........... 104
Figure (IV.11) Couple lectromagntique ................................................................. 104
Figure (IV.12) Loupe couple lectromagntique ....................................................... 104
Figure (IV.13) Module flux statorique ....................................................................... 105
Figure (IV.14) Loupe Module flux statorique ............................................................ 105
Figure (IV.15) Vitesse de rotation .............................................................................. 105
Figure (IV.16) Loupe Vitesse de rotation ................................................................... 105
Figure (IV.17) Commutation de linterrupteur Sa ...................................................... 105
Figure (IV.18) Loupe commutation Sa ...................................................................... 105
Figure (IV.19) Evolution du vecteur flux statorique.. ................................................. 106
Figure (IV.20) Courant statorique de la phase ......................................................... 106
Figure (IV.21) Couple lectromagntique ................................................................. 107
Figure (IV.22) Loupe couple lectromagntique ....................................................... 107
Figure (IV.23) Module flux statorique ....................................................................... 107
Figure (IV.24) Loupe Module flux statorique ............................................................ 107
Figure (IV.25) Vitesse de rotation .............................................................................. 107
Figure (IV.26) Loupe Vitesse de rotation ................................................................... 107
Figure (IV.27) Commutation de linterrupteur Sa ...................................................... 108
Figure (IV.28) Loupe commutation Sa ...................................................................... 108
Figure (IV.29) Evolution du vecteur flux statorique.. ................................................. 108
Figure (IV.30) Courant statorique de la phase ......................................................... 108
Figure (IV.31) Commande (DTNC) dune MAS pour des correcteurs de couple
quatre niveaux (douze secteurs) ..................................................... 108
Figure (IV.32) Couple lectromagntique ................................................................. 111
Figure (IV.33) Loupe couple lectromagntique ....................................................... 111
Figure (IV.34) Module flux statorique ....................................................................... 111
Figure (IV.35) Loupe Module flux statorique ............................................................ 111
Figure (IV.36) Vitesse de rotation .............................................................................. 111
XI
Liste des figures
Figure (IV.37) Loupe Vitesse de rotation ................................................................... 111
Figure (IV.38) Commutation de linterrupteur Sa ...................................................... 112
Figure (IV.39) Loupe commutation Sa ...................................................................... 112
Figure (IV.40) Evolution du vecteur flux statorique.. ................................................. 112
Figure (IV.41) Courant statorique de la phase ......................................................... 112
LISTE DES TABLEAUX
XII
Liste des tableaux
Liste des TableauxTableau Titre Page
Tableau (I.01) Table de vrit de l'onduleur de tension....................................... .20
Tableau (I.02) Les temps dapplication des vecteurs dtat pour chaque secteur......... 21
Tableau (II.01) Table de commutation gnralise........................................................ 34
Tableau (II.02) Table de commande de flux. ................................................................. 35
Tableau (II.03) Table de commande du couple.............................................................. 35
Tableau (II.04) Table de commutation avec les vecteurs tension actifs ........................ 36
Tableau (II.05) Table de commutation avec les vecteurs tension nuls .......................... 36
Tableau (II.06) Stratgie de contrle avec correcteur du couple trois niveaux
Avec les vecteurs tension actifs ............................................................ 41
Tableau (II.07) Stratgie de contrle avec correcteur du couple trois niveaux
Avec les vecteurs tension actifs et nuls................................................. 43
Tableau (II.08) Effet des six vecteurs tension utiliss dans les secteurs N1etN12. ....... 46
Tableau (II.09) Stratgie de contrle par DTC avec correcteur quatre niveaux pour
Des vecteurs tension actifs et nuls ........................................................ 47
Tableau (II.10) Les niveaux de tension dun bras de londuleur trois niveaux
structure NPC ..................................................................................... 52
Tableau (II.11) Les tats de commutation de londuleur trois-niveaux (NPC). .......... 54
Tableau (II.12) Vecteurs tension associes aux tats de commutation............................ 54
Tableau (II.13) Table de commutation avec le groupe des vecteurs demie tension ...... 57
Tableau (II.14) Table de commutation avec le groupe des vecteurs pleine tension ...... 57
Tableau (II.15) Table de commutation avec le groupe des vecteurs intermdiaire ...... 58
Tableau (II.16) Table de commutation avec les 4 groupes des vecteurs tension .......... 60
Tableau (II.17) Table de commutation avec les 4 groupes des vecteurs tension pour
Douze secteurs premire approche ................................................... 64
Tableau (II.17) Table de commutation avec les 4 groupes des vecteurs tension pour
Douze secteurs deuxime approche ................................................. 66
XIII
Liste des tableaux
Tableau (III.01) Les tables de commutation avec onduleur deux niveaux .................. 87
Tableau (III.02) Les tables de commutation avec onduleur deux niveaux .................. 92
Tableau (IV.01) Table de fonction de transfert .............................................................. 99
INTRODUCTION GENERALE
1Introduction gnrale
Introduction gnrale
Grce aux dveloppements de l'lectronique de puissance et de l'lectronique de
commande, il est aujourd'hui possible de mettre en oeuvre des algorithmes de commande
inenvisageables il y a une dizaine dannes. Ainsi, sont apparus des entranements base de
machines asynchrones aussi performants que ceux avec des machines courant continu, tout
en bnficiant de leurs avantages (robustesse ; faible cot ; large gamme de vitesse).
Depuis le dbut des annes 1960, la machine courant continu occupe une place
prpondrante dans le domaine des asservissements de position de prcision [45]. Nanmoins,
ce type dactionneur prsente des inconvnients majeurs de par son cot lev, ses limitations
en puissance et en vitesse de rotationetc.
Pour pouvoir remplacer le variateur de vitesse courant continu et profiter des avantages
du moteur asynchrone, la commande doit tre de plus en plus performante par consquent,
plus complexe. La stratgie de commande vectorielle invente au dbut des annes 70 par
Blaschke a permis dgaler les performances intressantes du variateur courant continu.
Toutefois, la commande de la machine asynchrone reste complexe par les dveloppements
thoriques mis en oeuvre et la difficult identifier certains paramtres en temps rel
(observateurs en boucle ferme).
Parmi les mthode de commande des machines asynchrone, la commande vectorielle FOC
(Field Oriented Control) et la commande directe de couple DTC (Direct Torque Control) sont
les deux performante .La commande DTC fut invente au mieux des annes 80. [5]
En effet, la commande DTC partir de rfrences externes, tel le couple et le flux, ne
recherche pas, comme dans les commandes classiques (vectorielles ou scalaires) les tensions
appliquer la machine, mais recherche le meilleur tat de commutation de londuleur pour
satisfaire les exigences de lutilisateur.
Les derniers dveloppements de commande pour le moteur asynchrone ont vu
lmergence de diffrentes structures bases sur le contrle vectoriel comme le contrle direct
du couple DTC. Cette stratgie de commande permet de calculer les grandeurs de contrle qui
sont le flux statorique et le couple lectromagntique partir des seules grandeurs lies au
stator sans lintervention de capteur mcanique. De plus, cette structure ne ncessite pas
lapplication dune commande modulation de largeur dimpulsion (MLI) sur londuleur, ce
qui amliore, trs nettement, les performances dynamiques des grandeurs contrles [3].
2Introduction gnrale
Dans ce travail, notre principal objectif est de proposer des nouvelles stratgies du type
contrle direct, compatibles avec un onduleur de tension trois niveaux, et dexploiter les
outils dintelligence artificielles savoir : la logique floue et les rseaux de neurones
artificiels sur le contrle direct du couple. Notre travail est organis en quatre chapitres,
comme suit:
Dans le premier chapitre, nous prsentons une modlisation classique de la machine
asynchrone en utilisant la transformation de PARK pour le passage du systme triphas au
biphas. Ensuite, nous abordons ltude de lassociation convertisseur machine, dans la quelle
nous modlisons la MAS associe a un onduleur de tension deux niveaux suivi par une
simulation de ce modle dans le repre li au stator.
Le deuxime chapitre, est consacr au principe du contrle direct du couple dune MAS
alimente par un onduleur deux niveaux. Une synthse des diffrentes stratgies de contrle
sont prsentes et analyses. Ensuite, nous prsentons une nouvelle approche de la commande
directe du couple qui permet damliorer la stratgie de commutation des contrleurs du flux
et du couple de la machine asynchrone alimente par un onduleur trois niveaux structure
NPC. Dans cette partie, diffrentes approches de contrle sont proposes et valides toujours
par des simulations numriques.
Dans le troisime chapitre, un nouveau formalisme de contrle direct du couple bas sur
la logique floue est prsent pour la machine asynchrone alimente par un onduleur deux
niveaux et un onduleur trois-niveaux structure NPC. Nous donnons le principe de cette
approche et nous conclurons sur les performances.
Dans le dernier chapitre, nous exposons une autre exploitation des techniques de
lintelligence artificielle, cest le rseau de neurones artificiels sur le contrle direct du couple
dune MAS alimente par un onduleur deux niveaux avec diffrents comparateurs du
couple. Ainsi, nous allons valider cette mthode par des simulations numriques.
Nous terminons notre tude par un assemblage de tous les rsultats de simulations
obtenues des diffrentes stratgies mentionnes dans les prcdents chapitres et nous
concluons par un tableau qui reflte les avantages et les inconvnients de chaque stratgie
Finalement, notre travail sera couronn par une conclusion gnrale
CHAPITRE I
Modlisation De La MachineAsynchrone Et Son Alimentation
3CHAPITRE I Modlisation de la machine asynchrone et son alimentation
I.1 INTRODUCTION
Le moteur asynchrone ou moteur dinduction est actuellement le moteur lectrique dont
lusage est le plus rpandu dans lindustrie. Son principal avantage rside dans labsence de
contacts lectriques glissants, ce qui conduit une structure simple et robuste facile
construire. Le domaine de puissance va de quelques watts plusieurs mgawatts. Reli
directement au rseau industriel tension et frquence constante, il tourne vitesse variable
peu diffrente de la vitesse synchrone. Il est utilis pour la ralisation de la quasi-totalit des
entranements vitesse constante, [1]. Le moteur asynchrone permet aussi la ralisation des
entranements vitesse variable, et la place quil prend dans ce domaine ne cesse de crotre.
Dans les pays industrialiss, plus de 60% de lnergie lectrique consomme est transforme
en nergie mcanique par des entranements utilisant les moteurs lectriques et
particulirement le moteur asynchrone, [1].
La machine asynchrone prsente lavantage dtre robuste, peu coteuse et de
construction simple. Cette simplicit saccompagne toutefois dune grande complexit
physique lie aux interactions lectromagntiques entre le stator et le rotor, [2]. La
modlisation de la machine asynchrone reprsente une phase indispensable, elle consiste
retrouver, partir de son formalisme, une reprsentation de lensemble convertisseur-
machine-commande dune faon, la fois synthtique et claire, trs proche des
reprsentations par fonction de transfert des systmes asservis. Cette reprsentation est une
aide intressante pour le calcul de certaines commandes, [3].
Dans ce chapitre, nous prsentons le modle mathmatique triphas de la machine
asynchrone et de sa transformation dans le systme bipolaire. Une reprsentation sous forme
dtat est labore partir des lois physiques qui rgissent son fonctionnement on alimentant
notre machine en tension.
Ensuite, nous passerons la modlisation de lalimentation de la machine constitue dun
onduleur de tension deux niveaux contrl en courant par hystrsis. Ensuite, nous traiterons
la modlisation de lassociation convertisseur-machine o on prsentera un modle gnrale
associe la machine asynchrone son alimentation.
I.2 Modlisation de la machine asynchrone triphase
Ltude de cette machine traduit les lois de llectromagntisme dans le contexte habituel des
hypothses simplificatrices, [3] :
Lentrefer constant ;
Leffet dencochage nglig ;
4CHAPITRE I Modlisation de la machine asynchrone et son alimentation
Distribution spatiale sinusodale des forces magntomotrices dentrefer ;
Circuit magntique non satur et permabilit constante ;
Pertes ferromagntiques ngligeables ;
Linfluence de leffet de peau et de lchauffement sur les caractristiques nest pas
prise en compte.
Parmi les consquences importantes des ces hypothses on peut citer :
Lassociation du flux ;
La constance des inductances propres ;
Linvariance des rsistances statoriques et rotoriques ;
La loi de variation sinusodale des inductances mutuelles entre les enroulements
statoriques et rotoriques en fonction de langle lectrique de leurs axes magntiques, [3].
La reprsentation schmatique de la MAS dans l'espace lectrique est donne sur la Fig. (1.1).
Elle est munie de six enroulements, [4].
Le stator de la machine est form de trois enroulements fixes dcals de 120 dans
lespace et traverss par trois courants variables.
Le rotor peut tre modlis par trois enroulements identiques dcals dans lespace de
120. Ces enroulements sont en court-circuit et la tension leurs bornes est nulle.
Figure (I. 1) : Reprsentation schmatique dune machine asynchrone
2/3
o
Ra
Rb
Rc
SA
SB
SC
VRa
VRb
VRc
iRa
iRb
iRc
VSAiSA
VSA
iSA
Partie fixe : Stator. Partie mobile : Rotor. Entrefer constant.
5CHAPITRE I Modlisation de la machine asynchrone et son alimentation
I.2.1 Equations lectriques:Les six enroulements (Sa, Sb, Sc et Ra, Rb, Rc), reprsents sur la Fig.(I.1), obissent aux
quations matricielles suivantes, [4] :[V] = [R]. [I] + ddt [] (I 1)[V] = [R]. [I] + ddt [] = [0 0 0] (I 2)Avec:[V] : Vecteur tension ;[I] : Vecteur courant ;[] : Vecteur flux statorique;[] : Matrice rsistance;, : Indices stator et rotor, respectivement.I.2.2 Equations magntiques :
Les hypothses simplificatrices cites antrieurement conduisent des relations linaires
entre les flux et les courants de la machine asynchrone, ces relations scrivent
matriciellement comme suit, [4]:
Pour le stator :[] = []. [] + []. [] (I 3)Pour le rotor :[] = [M]. [I] + [L]. [I] (I 4)[L], [L] : reprsentent respectivement les matrices dinductance statorique et rotorique ;[M] : correspond la matrice des inductances mutuelles stator-rotor.On dsigne par :
[L] = L M MM L MM M L (I 5)[L] = L M MM L MM M L (I 6)
6CHAPITRE I Modlisation de la machine asynchrone et son alimentation
[M] = [M] = M
cos cos ( + 23 ) cos ( 23 )cos ( 23 ) cos cos ( + 23 )cos ( + 23 ) cos ( 23 ) cos
(I 7)Avec:
: La position absolue entre stator et rotor ;L, L : Inductance propre du stator et du rotor, respectivement ;M : Inductance mutuelle cyclique entre stator-rotor.Finalement les quations de tensions deviennent :
Pour le stator :[ ] = []. [] + [].
{[]} + [].
{[]} (I 8)Pour le rotor :[ ] = []. [] + [].
{[]} + [].
{[]} (I 9)
I.2.3 Transformation de Park :Le modle de Park apporte une solution satisfaisante [4].La transformation de Park est
souvent dfinie par la matrice normalise [()] comme suit [5]:[()] = 23
cos ( 23 ) cos ( + 23 )sin () sin ( 23 ) sin ( + 23 )
12 12 12
(I 10)Do
XXX= [P()]XXX avec [P()] = cos () sin () 1cos (
) sin (
) 1cos ( +
) sin (+
) 1 (I 11)
O ,,est une grandeur (tension, courant ou flux).Lquation (1.8) et (1.9) de la machine peuvent tre reformules par :
V,,= [R]. I,,+ ddt ,, (I 12)En utilisant lquation (1.11) on aboutit :
7CHAPITRE I Modlisation de la machine asynchrone et son alimentation[P()] V ,,= [R]. [P()] I ,,+ [P()] ,, (I 13)
Soit en multipliant par la matrice [P()] :V ,,= [R]. I ,,+ ddt ,,+ [P()]ddt [P()]. ,, (I 14)On obtient finalement un systme de PARK qui constitue ainsi un modle lectrique
dynamique pour lenroulement diphas quivalent :
VVVV
=
R+ Lddt L Mddt ML R+ Lddt M MddtMddtM MMddt R+ Lddt LL R+ Lddt
.
IIII (I 15)
Dont les flux correspondent :
= L MM L.II (I 16)
= L MM L.II (I 17)
Avec:L = l+ ML = l+ M (I 18)M = 32 ML : Inductance cyclique propre du stator ;L : Inductance cyclique propre du rotor ;M : Inductance cyclique mutuelle du stator ;M : Inductance cyclique mutuelle du rotor ;M : Inductance cyclique mutuelle entre larmature du stator et larmature du rotor ; : Inductance propre dune phase statorique ;
: Inductance propre dune phase rotorique ;d dt : Oprateur drive.I.2.4 Equation lectromagntique:Equation mcanique de la machine est donne par :J ddt = C f. C (I 19)
CHAPITRE I
C = 32 p ML . I Avec:C : Couple lectromagntique dlivr par la machine ;C : Couple rsistant de la charge ;f : Coefficient des frottements visqueux ; =
: Vitesse de rotation mcanique ;P : Nombre de paires de ples.
I.2.5 Choix du repre :
Ltude analytique du moteur asynchrone laide
ncssite lutilisation dun rfrentiel qui permet de simplifier au maximum les xpressions
analytiques.
Il xiste diffrentes possibilits pour le choix du repre daxes (u,v) qui se fait en
fonction de lapplication:
Stator, repre (,)Champ tournant, repre (d, q) :
Rotor, (x, y) : =Ce systme est utilis pour tudier les processus transitoires dans les machines synchrones
et asynchrones
Figure (I. 2) : Reprage
q
8
Modlisation de la machine asynchrone et son alimentation
. I Couple lectromagntique dlivr par la machine ;
Couple rsistant de la charge ;
Coefficient des frottements visqueux ;
Vitesse de rotation mcanique ;
de paires de ples.
.2.5 Choix du repre :
Ltude analytique du moteur asynchrone laide de la transformation de Park,
ncssite lutilisation dun rfrentiel qui permet de simplifier au maximum les xpressions
Il xiste diffrentes possibilits pour le choix du repre daxes (u,v) qui se fait en
): = = 0
Champ tournant, repre (d, q) : = =
= .
systme est utilis pour tudier les processus transitoires dans les machines synchrones
Reprage angulaire des systmes daxes dans lespace angulaire.
VRq
VSd
VRdVSq
Modlisation de la machine asynchrone et son alimentation
(I 20)
la transformation de Park,
ncssite lutilisation dun rfrentiel qui permet de simplifier au maximum les xpressions
Il xiste diffrentes possibilits pour le choix du repre daxes (u,v) qui se fait en
systme est utilis pour tudier les processus transitoires dans les machines synchrones
angulaire des systmes daxes dans lespace angulaire.
S
R
d
9CHAPITRE I Modlisation de la machine asynchrone et son alimentation
I.2.5.1 quations en tension dans le repre li au stator (,)La figure (I-3) reprsente la schmatisation dune machine asynchrone biphase quivalente
dans le repre (, ).
Figure (I. 3) : Reprsentation schmatique dune machine asynchronebiphase dans le repre (,)
I.2.5.2 Modle dtat de la machine dans le rfrentiel lie au stator (, )Dans ce cas le systme dquations (1.15) scrit comme suit :V = R. I +
V = R. I +
(I 21)V = R. I + ddt + V = R. I + ddt
Ainsi que les flux:
= L. I + MI = L. I + MI (I 22) = L. I + MI = L. I + MI
Stator, repre (,):Cest le repre le mieux adapt pour travailler avec les grandeurs instantanes, il
possde des tensions et des courants relles et peut tre utilis pour tudier les rgimes de
dmarrage et de freinage des machines courant alternatif [6].
,,
R, S
=
10
CHAPITRE I Modlisation de la machine asynchrone et son alimentation
Champ tournant, repre (d, q) :
Ce rfrentiel est le seul qui nintroduite pas de simplification dans la formulation des
quations. Il fait correspondre des grandeurs continues aux grandeurs sinusodales en rgime
permanent, raison pour laquelle ce rfrentiel est utilis en commande [7].
Rotor, (x, y) :
Ce systme est utilis pour tudier les processus transitoires dans les machines synchrones
et asynchrones.
Forme dtat du modle de la machine asynchrone dans le rfrentiel (, )
La reprsentation dtat des quations (1.21) est donne sous la forme matricielle suivante :
ddt
II
=
1L(R+ MLT) O MLLT . MLL0 1
L(R+ MLT) . MLL MLLTMT0 0MT 1T
1T
.
II
+
1L 00 1
L0 00 0
VV(I
22)Avec:
= 1
: Coefficient de dispersion de Blondel ;T =
: Constante de temps rotorique ;
= P : Pulsation mcanique du rotor, et p tant le nombre de paires de ples.I.3 SIMULATION DE LA MACHINE ASYNCHRONE
La simulation de notre modle se fait sous le logiciel MATLAB dans lenvironnement
de temps rel SIMULINK.
La figure (I. 4) illustre le schma bloc de la machine asynchrone lie au repre (,) bassur le modle mathmatique dcret par lexpression (I-22), la machine est alimente par un
rseau triphas quilibr (220V, 50Hz), dont les paramtres de la machine sont donns dans
l'Annexe A.
11
CHAPITRE I Modlisation de la machine asynchrone et son alimentation
I.3.1 Rsultats de simulationLes rsultats de simulation de la machine asynchrone sont reprsents sur les figures (I.5) et
(I.6).
Figure (I.4) : Schma bloc de la MAS alimente par un rseau triphase quilibr
I.3.1.1 Marche vide
Figures (I.5) : Dmarrage vide du moteur asynchrone triphas aliment par une source detension quilibre sinusodale.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Temps (S)
Cou
ple
(N.m
)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 30
20
40
60
80
100
120
140
160
Temps (S)
Vite
sse
(rad/
S)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-30
-20
-10
0
10
20
30
40
Temps (S)
Cou
rant
Sta
toriq
ue(A
)
12
CHAPITRE I Modlisation de la machine asynchrone et son alimentation
I.3.1.1.1 Interprtations des resultantsDaprs la Figure (I.5) on constate que :
Pour la vitesse
Au dmarrage et dans un temps troit, la vitesse prsente une oscillation incline suivie
par un accroissement presque linaire jusqu' la valeur de synchronisme, cette variation
instantane dpend de la caractristique du moteur choisi.
Pour le courant statorique
Au dmarrage, le courant prend une valeur grande 6 fois plus que la valeur nominale. Le
courant oscille autour de zro jusqu' l'instant o il prend sa valeur permanente.
Pour le couple lectromagntique
La croissance de la vitesse au dmarrage indique la prsence du fort couple
lectromagntique, ce dernier oscille de manire dcroissante jusqu' une valeur qui
compense les frottements.
13
CHAPITRE I Modlisation de la machine asynchrone et son alimentation
I.3.1.2 Application d'une charge (Cr=10N.m)
Figure (I.6) : Caractristiques du moteur asynchrone lors dune application dun couple
rsistant (Cr=10Nm t=1.5sec)
I.3.1.2.1 Interprtations des resultants
Pour la vitesse
La courbe de la vitesse prsente des oscillations dans les premiers instants de dmarrage
avec un accroissement presque linaire. Aprs un temps denviron 0.3 sec. La vitesse
rotorique stablit une valeur proche de la vitesse de synchronisme.
A linstant t= 1.5 sec, lapplication de la charge nominale se poursuit dune dcroissance
de la vitesse rotorique qui se traduit par un glissement.
Pour le couple lectromagntique
La courbe du couple lectromagntique prsente au premier instant de dmarrage une
pulsation trs importante ; aprs 0.138 sec le couple tend vers zro.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-10
0
10
20
30
40
50
temps (S)
Cou
ple
(N.m
)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 30
20
40
60
80
100
120
140
160
Temps (S)
vite
sse
(rad/
S)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-30
-20
-10
0
10
20
30
40
Temps (S)
Cou
rant
statorique
(A)
1 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.1-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
Temps (S)
Courantstatorique(A)
Zoom
Zoom
14
CHAPITRE I Modlisation de la machine asynchrone et son alimentation
A linstant t = 1.5 sec nous avons appliqu larbre de la machine asynchrone un couple
rsistant (Cr=Cn=10 N.m) nous constatons que le couple lectromagntique rejoint, aprs un
rgime transitoire, la valeur qui compense le couple rsistant appliqu.
Pour le courant statorique
Le courant statorique prsente des oscillations successives autour de zro avec une
amplitude maximale de 32.5A jusqu 0.25 sec; aprs ce temps lamplitude de ces oscillations
est diminue jusqu 6.5A.
A linstant t = 1.5 sec, nous constatons que le courant statorique volue suivant la charge
applique larbre du moteur.
I.4 ONDULEUR DE TENSIONLonduleur de tension modulation de largeur dimpulsion (MLI) est un convertisseur
statique dnergie lectrique qui transforme une source de tension continue en une
alimentation de tension alternative pour alimenter des charges en courant alternatif. La
puissance maximale transmise reste dtermine par les caractristiques propres de la machine,
[8].
Londuleur triphas deux niveaux de tension, possdant six cellules de commutation
(IGBT) et six diodes de roue libre. Chaque bras de londuleur est compos de deux cellules de
commutation constitues chacune de linterrupteur avec sa diode, la sortie correspondant au
point milieu du bras, [9].
Les signaux de commande des interrupteurs de chaque bras doivent tre complmentaires
pour viter le court-circuit de lalimentation continue de londuleur.
I.5 MODELISATION DE LONDULEUR DE TENSIONPour modliser londuleur de tension, Fig. (I.7), on considre son alimentation comme une
source parfaite, constitue de deux gnrateurs de f..m gale E/2 connects un point not
n0.
15
CHAPITRE I Modlisation de la machine asynchrone et son alimentation
Figure (I.7) : Reprsentation de lensemble onduleur-MAS
La machine a t modlise partir des tensions simples notes V, V, V Londuleurest command partir des grandeurs logiques SOn appelle TetT'les transistors (supposstre des interrupteurs idaux), on a [10,11]:
Si Si = 1, Ti est passant et T'i est ouvert ;
Si Si = 0, Ti est ouvert et T'i est passant.
Avec i =a, b, c.
Les tensions composes sont obtenues partir des sorties de londuleur :V = V + V = V VV = V + V = V V (I 23)V = V + V = V VO o point milieu fictif lentre continu (voir Fig I.7).V,V, V sont les tensions dentre londuleur.
Pour une MAS prsentant un neutre et alimente par un onduleur on peut crire les
tensions comme suit :
V = V + VV = V + V (I 24)V = V + V
Ta
T'a
Tb
T'b
Tc
T'c
E2
E2Van Vbn Vcn
a
b c
0
m
Van
Vbn
Vcn
16
CHAPITRE I Modlisation de la machine asynchrone et son alimentation
Avec :
Van, Vbn, Vcn sont les tensions de phase.
Vno la tension fictive entre le neutre de la MAS et le point fictif dindice o .
Pour un systme quilibr V + V + V = 0, il vient :V = 13 (V + V + V) (I 25)En remplaant (I.25) dans le systme (I.24), on obtient :
V =
V
V =
V +
(I 26)V =
V
+
Avec Si ltat des interrupteurs supposs parfaits :
V = SE
Avec = , ,Il vient alors :V = (S 0.5) EV = (S 0.5) E (I 28)V = (S 0.5) EEn remplaant (I.26) dans (I.28), on obtient :
VVV= 13 E2 1 11 2 11 1 2 SSS (I 29)Si Vao, Vbo, Vco sont les tensions dentre de londuleur (valeurs continues), alors Van, Vbn, Vcn
sont les tensions de sortie de cet onduleur (valeurs alternatives), par consquent londuleur de
tension peut tre modlis par une matrice [T] assurant le passage continu- alternatif, [12].
[T] =
2313
13
1323
13
131323
(I 30)
S= 1 V = S= 0 V =
(I 27)
17
CHAPITRE I Modlisation de la machine asynchrone et son alimentation
Les composantes de la tension Us alimentant la machine (Vs, Vs) peuvent tre
exprimes en utilisant le passage triphas- biphas par le biais de la matrice Concordia
respectant le transfert de la puissance, [13].
VVV= 23 .
1 12 120 32 3212 12 12
VVV (I 31)En appliquant la transformation de PARK, aux tensions phase-neutre donnes par
lquation (I-31), on obtient dans le repre fixe diphas le vecteur tension en fonction de
chaque niveau de phase (I-32).
V = V + jV = 23 U(S + aS + aS) (I 32)Avec:
= = (I 33) = = (I 34)
On dsigne par squence de niveaux de phase chaque combinaison des
Variables S, S, S. donnant un lment de lensemble (S, S, S). Vu que, pour londuleur deux niveaux, ces variables sont de nature binaire, il y a au total 8 squences de niveaux de
phase diffrente. La figure (I.8) illustre la correspondance entre chaque squence de niveaux
de phase et le vecteur tension, obtenu analytiquement par (I-32) on peut constater lexistence
de deux squences de niveaux de phase diffrentes (0,0,0) et (1,1,1) donnant origine au mme
vecteur tension nul.
Lensemble des vecteurs tensions dlivres par un onduleur 2-niveaux ainsi que les
squences de niveaux de phase correspondantes sont reprsentes dans les figures (I.8), (I.9).
18
CHAPITRE I Modlisation de la machine asynchrone et son alimentation
Figure (I.08) : Correspondance entre chaque configuration onduleur et vecteur tension
U U
SSS= 000 SSS= 111(0,0,0) (1,1,1)
U
(1,0,0)
SSS= 100
SSS= 101(1,0,1)
U
U
(1,1,0)
SSS= 110
U
(0,0,1)
SSS= 001
U
SSS= 010
(0,1,0)
SSS= 011
U (0,1,1)
19
CHAPITRE I Modlisation de la machine asynchrone et son alimentation
Figure (I.09) : Vecteur tension et squences du niveau de phase dunonduleur 2- niveaux
I.5.1 Etude de la commande de londuleur
Toute application concrte du variateur asynchrone est lie un cahier de charge prcis
ncessitent un choix de mode dalimentation de la machine. Il existe deux modes
dalimentation en courant ou en tension.
Ceci signifie que le convertisseur statique associe la machine lui impose au niveau de
ses enroulements statoriques un courant ou une tension de forme et des amplitudes donnes.
Selon lapplication et les performances demandes, on choisira le type dalimentation et par
consquent le type de contrle implanter. Trois structures principales peut tre envisages.
Onduleur de courant ralisant une alimentation en courant.
Onduleur de tension ralisant une alimentation en tension.
Onduleur de tension ralisant une alimentation en courant.
Donc, il y a plusieurs mthodes pour commander les interrupteurs dun onduleur [14].
Un vecteur tension de rfrence Vrf est calcul globalement et approxim sur une priode de
modulation T par un vecteur tension moyen Vmoy. Ce dernier est labor par lapplication des
vecteurs tensions adjacents et des vecteurs nuls V0 et V7.
Une analyse combinatoire de tous les tats possibles des interrupteurs permet de calculer le
vecteur de tension VV. Nous pouvons donc dresser un tableau (I.1), des diffrents tats de
londuleur, [8,13].
(0.1.0 ) (1.1.0 )(0.1.1 )
(0.0.1 ) (1.0.1 )
(1.1.0 )(1.0.0 )(1.1.0 )
(1.1.0 )Squence du niveau de phaseNiveau de phaseVrf
20
CHAPITRE I Modlisation de la machine asynchrone et son alimentation
Tableau (I.1): Table de vrit de londuleur de tension.Avec:
V= V + +V . e() (I 35)Dans la suite, le vecteur de rfrence Vref est approxim sur la priode modulation T, par la
gnration dun vecteur moyen labor par lapplication des vecteurs disponibles, voir
Tableau (I.1).
La Fig. (I.10), reprsente le cas o le vecteur de rfrence se trouve dans le secteur 1. Le
temps dapplication des vecteurs adjacents est donn comme suit, [15, 16,17]:
1T V
= Vdt +
Vdt +
Vdt
1T (I 36)
T. V= (T. V + T. V) (I 37)V= TTV + TTV (I 38)O T = T + T + T (I 39)
VecteurV S S S V V V V V VVVVVVVV
0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1
0
0
0
E
E
E
E
E
E
0
E
E
00
E
E
0 0
E
E
E
E
E
E
21
CHAPITRE I Modlisation de la machine asynchrone et son alimentation
Figure (I.10) :Projection du vecteur de rfrence (secteur 1).
La dtermination des priodes T1 et T2 est donne par une simple projection sur la Fig. (I.10) :
=
| | cos(30) T =
(6Vrf 2Vrf)V =
|V| + X T = 2
V (I 40)X = Vtg(60)Le tableau ci-dessous montre les diffrents temps dapplication des vecteurs dtats pour lesdiffrents secteurs (1 6), [18,19].
Tableau (I.2) : Les temps dapplication des vecteurs dtat pour chaque secteur.
V
V
VV
V
V30V
Secteur 1 Secteur 2 Secteur 3
Secteur 4 Secteur 5 Secteur 6
T =
(6V 2V)T = 2
VT = T T TT =
(6V + 2V)T =
(6V + 2V)T = T T T
T = 2 VT =
(6V + 2V)T = T T TT =
(6V + 2V)T = 2
VT = T T T
T =
(6V + 2V)T =
(6V 2V)T = T T TT = 2
VT =
(6V + 2V)T = T T T
CHAPITRE I
I.5.2 RESULTATS DE SIMULATIONLa simulation de l'onduleur MLI vectorielle (
Matlab/simulink. Les figures suivantes reprsentes
Fig. (I.11) Reprsentation des tensions
I.6 Le Schma Bloc de la MAS alimente par onduleur de tension deux
niveaux
Figure (I.12) : Schma bloc de la MAS alimente par un onduleur triphase deux
Le moteur est aliment directement par un onduleur avec :
Onduleur
22
Modlisation de la machine asynchrone et son alimentation
DE SIMULATION
onduleur MLI vectorielle (SVM) est effectue en utilisant le logiciel
Matlab/simulink. Les figures suivantes reprsentes les tensions de la sortie de l'onduleur.
Reprsentation des tensions la sortie de londuleur.
Le Schma Bloc de la MAS alimente par onduleur de tension deux
Schma bloc de la MAS alimente par un onduleur triphase deux
niveaux
Le moteur est aliment directement par un onduleur avec :
Concordia MAS
Modlisation de la machine asynchrone et son alimentation
est effectue en utilisant le logiciel
les tensions de la sortie de l'onduleur.
la sortie de londuleur.
Le Schma Bloc de la MAS alimente par onduleur de tension deux
Schma bloc de la MAS alimente par un onduleur triphase deuxScop
23
CHAPITRE I Modlisation de la machine asynchrone et son alimentation
: Amplitudes de tension de la rfrence. : Amplitudes de tension de la porteuse.
: La frquence de porteuse.
: La frquence de rferance.I.6.1 Rsultats de simulation
La figure(I.13) prsente les rsultats de simulation dune MAS aliment par onduleur de
tension deux niveaux
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
temps(S)
vitess
e(ra
d/S)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-5
0
5
10
15
20
25
30
35
Temps (S)
Cou
ple(N
.m)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-30
-20
-10
0
10
20
30
Temps (S)
Cou
rant
statorique
(Isa)
1 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.1-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Zoom
Zoom
1 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.1-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
Zoom
Zoom
= = 120050 ; = = 0.97
Figure (I.13) : Caractristiques de la machine asynchrone alimente par onduleur deux
niveaux lors dune application dun couple rsistant (Cr=10Nm t=1.5sec).
24
CHAPITRE I Modlisation de la machine asynchrone et son alimentation
I.6.2 Interprtations des rsultatsLes courbes de la figure (I.13) reprsentent les rsultats de simulation pour un fonctionnement
en charge aprs un dmarrage vide (Cr=10 N.m) de la machine associe un onduleur de
tension.
La comparaison de ces rsultats avec ceux obtenus dans le cas d'une alimentation directe
sous pleine tension, montre une diffrence dans la forme du couple. Dans le cas d'une
alimentation par onduleur. Le couple lectromagntique est plus amorti lors du rgime
transitoire, mais prsente des ondulations.
Lallure de composante du courant statorique est semblable celle obtenue avec
alimentation directe sous pleine tension.
I.7 CONCLUSION
Dans ce chapitre, nous avons dcrit la modlisation de la machine asynchrone et de
londuleur de tension triphas deux niveaux. Le modle de la machine a t tabli dans le
cadre de la thorie de PARK, en passant du systme rel triphas au systme biphas
quivalent. Cela simplifie considrablement la rsolution des quations de la machine
asynchrone.
Lapplication dune commande MLI de londuleur en boucle ouverte provoque des
inconvnients au fonctionnement de la machine comme les harmoniques de courant, les
oscillations du couple et du flux, ce qui implique dappliquer une commande qui sert
raliser les exigences industrielles comme la commande DTC qui sera lobjet du second
chapitre.
CHAPITRE II
Contrle Direct Du Couple AlimentePar Deux Types Donduleurs
De La Machine Asynchrone
25
CHAPITRE II Contrle direct du couple de la machine asynchrone alimente par deux types donduleurs
II.1 INTRODUCTION
La technique de commande directe du couple (Direct Torque Control ou DTC ) est
introduite en 1985 par TAKAHASHI [20,21]. Plusieurs travaux ont permis une modlisation
rigoureuse de cette approche. Elle permet de calculer les grandeurs de contrle qui sont le flux
statorique et le couple lectromagntique partir des mesures des Courants statoriques sans
utilisation de capteurs mcaniques [21, 22,23].
Les mthodes de commande directe du couple DTC consistent commander
directement la fermeture ou l'ouverture des interrupteurs de londuleur partir des valeurs pr
calcules du flux statorique et du couple. Les changements d'tats des interrupteurs sont lis
l'volution des tats lectromagntiques du moteur. Ils ne sont plus commands partir des
consignes de tension et de frquence donne la commande rapproche d'un onduleur
modulation de la largeur d'impulsion.
La commande des interrupteurs a pour but de donner au vecteur reprsentant le flux
statorique la direction dtermine par les valeurs de consigne [22]. Dans ce chapitre, on
prsentera le principe du contrle direct du couple pour une MAS, et les rsultats de
simulation obtenus.
II.2 PRINCIPE DUN CONTROLE DIRECT DU COUPLE
Lobjectif dune commande DTC est de maintenir le couple lectromagntique et le
module du flux statorique lintrieur des bandes dhystrsis par le choix de la tension de
sortie de londuleur. Lorsque le couple ou le module du flux statorique atteint la limite
suprieure ou infrieure de lhystrsis, un vecteur tension appropri est appliqu pour
ramener la grandeur concerne lintrieur de sa bande dhystrsis. Pour choisir le vecteur
de tension, il est fondamental de connaitre les rgles dvolution du couple et du module du
flux statorique [14].
Dans une commande DTC , il est prfrable de travailler avec une frquence de calcul
leve afin de rduire les oscillations du couple provoques par les rgulateurs hystrsis.
Les caractristiques gnrales dune commande directe de couple sont [24]:
La commande directe de couple et de flux, partir de la slection des vecteurs
optimaux de commutation de londuleur.
La commande indirecte des intensits et tensions du stator de la machine.
Lobtention des flux et des courants statoriques proches de formes sinusodales.
Une rponse dynamique de la machine trs rapide.
26
CHAPITRE II Contrle direct du couple de la machine asynchrone alimente par deux types donduleurs
Lexistence des oscillations du couple qui dpend, entre autres, des facteurs de la
largeur des bandes des rgulateurs hystrsis.
La frquence de commutation de londuleur dpend de lamplitude des bandes
hystrsis.
II.2.1 contrle du vecteur flux statoriqueLa rgle dvolution du module du flux statorique est dtermine partir de lquation
diffrentielle du flux statorique exprime dans un repre fixe(,) [25].ddt = V Ri (II 01)
Sur lintervalle [0, Te], si pour simplifier on considre le terme R. I comme ngligeable(ce qui se vrifie vitesse de rotation suffisamment leve), on aura lquation (II.2) [26]:
(T ) (0) + V. T V. T (II 02)On constate alors que lextrmit du vecteur flux statorique se dplace le long dune droite
daxe colinaire celui du vecteur tension impos par londuleur de tension la machine
figure (II-1) [27].
Le dplacement du vecteur flux statorique va tre assur par lapplication successive des
vecteurs tension fournis par londuleur de tension. De plus, selon le vecteur tension appliqu,
on peut agir sur la valeur du module du flux statorique (figure (II-1) et (II-2)). Ainsi, selon le
choix du vecteur tension statorique sur les intervalles successifs de la dure de la priode
(t = T ) V. T(t = 0)
(t = T ) V. T(t = 0)
Figure (II.2) : Application dun vecteurtension statorique qui permet daugmenterle module du flux statorique.
Figure (II.1) : Application dun vecteurtension statorique qui permet de diminuerle module du flux statorique.
27
CHAPITRE II Contrle direct du couple de la machine asynchrone alimente par deux types donduleurs
dchantillonnage Te, on peut faire suivre lextrmit de vecteur flux statorique une
trajectoire quasi circulaire et maintenir lamplitude du flux proche dune valeur de rfrence
constante. Cette conclusion est illustre par la figure (II-3) qui prend pour exemple une
machine asynchrone alimente par un onduleur de tension deux niveaux. On maintient le
flux statorique dans une bande dhystrsis centre sur le flux de rfrence.
Figure (II.3) : Trajectoire du flux statorique
II.2.2 Contrle du couple lectromagntique de la machine
Le couple lectromagntique sexprime en fonction du flux statorique et du flux
rotorique de la faon suivante [27] :
C = K. I [.] (II 03)K est une constante dpendant des paramtres de la machine,
K = P. MLL (II 04)
Le flux statorique et le flux rotorique peuvent se mettre sous la forme :
= [, ] = e (II 05) = [, ] = e
Bande d'hystrsis
VV
VV
V V
28
CHAPITRE II Contrle direct du couple de la machine asynchrone alimente par deux types donduleurs
Ou et sont les modules respectivement du flux statorique et du flux rotorique
linstant t = 0.
On remplace le flux statorique et le flux rotorique par leurs expressions dans celle du
couple lectromagntique. Compte tenu que la loi de contrle veut maintenir le flux statorique
proche de sa valeur de rfrence , on obtient :
C = K. sin() (II 06)Avec:
= (II 07)Lors de lapplication dun vecteur tension actif on modifie les positions et les vitesses des
flux statorique et rotorique selon :
= . e() (II 08)Ou:
= ( + ). (t t) (II 09)Et t dsigne l'instant qui suit l'instant d'application du vecteur tension non nul. De mme pour
le flux rotorique, nous pouvons crire :
= ( + )e() (II 10)Avec :
= (II 11)Or si on considre que lvolution du flux rotorique est trs lente par rapport celle du
flux statorique, on peut dire quimmdiatement aprs lapplication du vecteur de tension
active, et sont encore nuls, et donc :
= ( + ). (t t) (II 12)Le contrle du couple dpend directement du contrle de la rotation du vecteur flux
statorique.
Sur la figure (II-4) et (II-5), on a illustr lvolution du couple lectromagntique dans le
cas de lapplication des deux vecteurs de tension qui font voluer le flux statorique dans des
29
CHAPITRE II Contrle direct du couple de la machine asynchrone alimente par deux types donduleurs
Sens de rotation contraires. Le sens de rotation trigonomtrique est considr comme le
sens de rotation positif.
II.2.3 Cas particulier : Application dun vecteur de tension nul
Quand le terme rsistif peut tre nglig, cest--dire pour les fonctionnements vitesse
leve, lapplication du vecteur nul a pour effet de stopper la rotation du vecteur flux
statorique. Toutefois, le flux rotorique poursuit son volution soumise la constante de temps
rotorique et tend rattraper le flux statorique. Ainsi, langle qui existe entre le flux
statorique et le flux rotorique va diminuer et le couple lectromagntique diminue lentement
figure (II-6) [27].
Figure (II.6) : Application dun vecteur nul, le terme rsistif estNgligeable.
(t = T ) V. T(t = 0)
+
+ +
V. T (t = 0)
(t = T )+
+
> 0 => Figure (II.4) : Evolution du couplelectromagntique pour une variationpositive de la vitesse de rotation.
< 0 => Figure (II.5) : Evolution du couplelectromagntique pour une variationngative de la vitesse de rotation.
+ 0 diminue
V. T = 0(t = 0) = (t = T )
30
CHAPITRE II Contrle direct du couple de la machine asynchrone alimente par deux types donduleurs
II.3 APPLICATION DE LONDULEUR DE TENSION A DEUXNIVEAUX
Le schma de contrle direct du couple dune machine asynchrone alimente par onduleur
deux niveaux est reprsent sur la figure (II.7).
Figure (II.7) : schma de contrle direct du couple pour un onduleur deux niveaux.
II.3.1 Slection du vecteur tension .
Pour fixer lamplitude du vecteur flux, lextrmit du vecteur flux doit avoir une
trajectoire circulaire [28,29,30]. Pour cela le vecteur tension doit toujours tre perpendiculaire
au vecteur du flux. Mais comme on na que huit vecteurs, on est oblig daccepter une
variation damplitude autour de la valeur souhaite [20,31].
Le choix du vecteur tension . dpend de la variation souhaite pour le module de flux
Statorique , de son sens de rotation et galement de lvolution souhaite pour le couple.
On dlimite gnralement lespace dvolution de dans le rfrentiel fixe (stator) en le
dcomposant en six zones symtriques par rapport aux directions des tensions non nulles [24].
La position du vecteur flux dans ces zones est dtermine partir de ses composantes.
Lorsque le vecteur de flux se trouve dans la zone numrot (= 1,2, ,6), le contrle du fluxet du couple peut tre assurer en slectionnant lun des huit vecteurs tension suivants:
Tableau de commutation
C C
Estimation du couple etdu flux
U Concordia
V VI I
Angle
,
31
CHAPITRE II Contrle direct du couple de la machine asynchrone alimente par deux types donduleurs
Si est slectionn, alors les amplitudes du flux et du couple croissent.
Si est slectionn, alors lamplitude du flux dcrot et celle du couple croit.
Si est slectionn, alors lamplitude du flux croit et celle du couple dcrot.
Si est slectionn ; alors les amplitudes du flux et du couple dcroissent.
Si ou sont slectionnes, alors lamplitude du flux sarrte et celle du couple
dcroit si la vitesse est positive et croit si la vitesse est ngative [32].
Le rle du vecteur tension slectionn est dcrit sur la figure (II-8).
Figure (II.8) : Choix du vecteur tension
Cependant le niveau defficacit de chaque vecteur dpend de la position du vecteur
flux dans la zone i.
Au dbut de la zone i, les vecteurs V et V sont perpendiculaires , do unevolution rapide de lamplitude du couple mais une volution lente de lamplitude du flux
alors qu la fin de la zone, lvolution est invers. Tandis quaux vecteurs V et V , ilcorrespond une volution lente du couple et rapide de lamplitude de au dbut de la zone
i alors qu la fin de la zone cest le contraire [33]. Quelque soit le sens dvolution du couple
ou de flux, dans la zone i, les deux vecteurs Vet Vne sont jamais utiliss. En effet, ceuxcignrent la plus forte variation de flux mais leurs effets sur le couple dpend de la position de
, dans la zone.
V
V
V
V
VV5
4
3 2
1
6
:dcroitC C :croit :croitC C :croit
:csteC C : dcroit :croitC C :dcroit :dcroitC C :dcroit
32
CHAPITRE II Contrle direct du couple de la machine asynchrone alimente par deux types donduleurs
II.3.2 Estimation du flux statoriqueLestimation de flux statorique peut tre ralise partir des mesures des grandeurs
statoriques courant et tension de la machine en utilisant lquation suivante [26,33]:
= (V R. I)
(II 13)= (V R. I) (II 14)= (V R. I)
Les composantes et des vecteurs courants statoriques I et I sont obtenues parlapplication de la transformation de Concordia aux courants mesurs [20].I = I + jI (II 15)I =
Is (II 16)I = 1
2 (I I)Le module du flux statorique s'crit:
= + (II 17)La zone dans la quelle se situe le vecteur flux est dtermine partir des composantes
et .
Langle .entre le referentiel statorique et le vecteur est egale :
= arctg
(II 18)Ces quations reprsentent les tapes de calcul ncessaires lestimation de lamplitude et
la position du vecteur flux statorique. Cet estimateur exige seulement la connaissance de la
rsistance statorique, ou leffet de lerreur sur cette dernire est ngligeable.
II.3.3 Estimation du couple lectromagntique
Le couple peut se mettre sous la forme suivante :C = p. I . I (II 19)
33
CHAPITRE II Contrle direct du couple de la machine asynchrone alimente par deux types donduleurs
A partir de cette quation, lestimateur de couple utilise seulement des grandeurs
statoriques, flux et et les courants Iet I.II.4 ELABORATION DES CONTROLEURS
II.4.1 Contrleur de flux deux niveauxLe but de contrleur de flux est de maintenir lextrmit du vecteur flux dans un
maillon circulaire [20], comme le montre la figure (II.9), la sortie de correcteur doit indiquer
le sens dvolution du module de ,
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