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J. P. Hautier A. Bouscayrol P. Delarue, E. Semail. E. Monmasson J.P.Louis. M. Benkhoris. B. Davat F. Meibody-Tabar H. Razik S. Piefederici. B. de Fornel M. Pietrzak-David. Avion Electricité Journée club EEA 18-19 mars 2004. Groupe Thématique “Systèmes” Opération SMM - PowerPoint PPT Presentation
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Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.
1
Avion ElectricitéAvion ElectricitéJournée club EEAJournée club EEA 18-19 mars 200418-19 mars 2004
B. Davat
F. Meibody-
Tabar
H. Razik
S. Piefederici
Machines polyphasées :
de la Modélisation Multimachine à la Commande
M. Benkhoris
B. de Fornel
M. Pietrzak-David
E. Monmasson
J.P.Louis
J. P. Hautier
A. Bouscayrol
P. Delarue, E. Semail
Groupe Thématique “Systèmes”
Opération SMMSystèmes Multimachines
Multiconvertisseurs du
Groupement de Recherche ME2MS
Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.
2- Plan -
2. Equivalence avec un ensemble Multimachine
3. Exemple: machine synchrone pentaphasée à aimants
1. Machines Polyphasées et avionique
•Polyphasé ? , Pourquoi ?, Aujourd’hui? , Problèmes ?
• Justification théorique
• Synthèse d’une MLI originale de l’onduleur de tension
• Commande vectorielle de la machine pentaphasée
• Un fonctionnement sur 4 phases (mode dégradé)
Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.
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1. « Machines polyphasées et avionique »
From « More electric control surface actuation : a standard for the next generation of transport aircraft » D.Van den Bossche, AIRBUS, EPE2003
Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.
4 Polyphasée ?
• au minimum 2 phases…(indépendantes) pour créer un champ tournant(diphasée, triphasée couplée étoile/triangle)
• au minimum 3 phases... (indépendantes) pour fiabilité(triphasée étoile neutre sorti, pentaphasée, hexaphasée,...)
Concrètement
• Triphasée neutre alimenté: oui mais composants supplémentaires
• Hexaphasée double étoile alimentée par 2 ponts à thyristors triphasés(4 phases indépendantes, stratégie simple de commande en mode dégradé)
• Quelques cas d’alimentation par onduleur de tension (5, 6, 9, 13, 15)
- 1. Machines Polyphasées et avionique -
Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.
5 Pourquoi ?
Constat:
Électrification des systèmes embarqués
(Utilisation d’actionneurs commandables électriquement)
(électromagnétiques, hydrauliques/électriques, piézo-électriques...)
( Mis à profit d’algorithmes de commande élaborés)
(optimisant fiabilité et ressources énergétiques)
Contraintes essentielles :
• Couples massique et volumique…aimants permanents
• fiabilité … polyphasé
- 1. Machines Polyphasées et avionique -
Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.
6- 1. Machines Polyphasées et avionique -
Aujourd’hui ?• Puissance croissante des DSP, des FPGA: possibilité/coût acceptable
• Vitesse variable/nombre de phases…paramètre de dimensionnement
• Prototypes virtuels ... de “drives” (modélisation “fine” accessible)
Problèmes ?
• Outils conceptuels et synthétiques de commande non disponibles:(Machine diphasée équivalente, phaseurs complexes)
( Représentation graphique des onduleurs de tension et machine)Privilège des machines à deux phases indépendantes alimentées par onduleurs)
• Concevoir machine adaptée à l’onduleur
Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.
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2. « Ensemble Multimachine équivalent »
machine
réelle
Ctot
iph1
v1
iphn
vn
v'1
Ctot
imp
im1
M1
Cm1
Mp
Cmp
iph1
v1
in
vn
v'p
machines
fictives
transformation couplage
mécanique
Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.
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machine
réelle
Ctot
iph1
v1
iphn
vn
Couplage magnétique
- 2. Ensemble Multimachine équivalent -
v'1
Ctot
imp
im1
M1
Cm1
Mp
Cmp
iph1
v1
in
vn
v'p
machines
fictives
transfor-
mation
Couplage
mécanique
Couplage électrique…aisé à traiter
(GDR SDSE-ME2MS…thèse X. Kestelyn/L2EP)
Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.
9
machine
réelle
Ctot
iph1
v1
iphn
vn
nnn
n
n
ns
ss2ss1ss
s2sss21s2s
s1s2s1sss1
L...MM
............
M...LM
M...ML
LEnsemble de machines fictives dotées de propriétés caractéristiques
• dim EL = nombre de phases de la machine fictive associée à L
• L: inductance de la machine fictive
Hypothèses : machine à pôles lisses et non saturée
SYMETRIE : matrice inductance propre statorique
• Diagonalisable : valeurs propres réelles L … les « inductances cycliques »
• Orthogonalité des espace propres EL associé à chaque valeur propre Lflux d’énergie indépendants
- 2. Ensemble Multimachine équivalent -
Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.
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3. « Machine synchrone pentaphasée »
Entraînement pentaphasé
i1
v1
i5
i2
ik
v2
v5
vk
(k-2)
N
S
Représentation multidimensionnelle de
l’onduleur
+
Prototype virtuel
Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.
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vdq1
vo
Ctot
imh
imp
iph1
vot1
MP
MS
SE
SM
Cmp
Cms
vdq2
ims
iot1
VDC
MHCmh
iph2
vot2
SEiot2
VDC
iph3
vot3
SEiot3
VDC
iph4
vot4
SEiot4
VDC
iph5
vot5
SEiot5
VDC
Couplage mécanique
Ctot=Cmh+ Cmp+ Cms
- 3. Machine synchrone pentaphasée -
3 Machines
fictives
Ctot
iph1
vot1
SE
SM
iot1
VDC
iph2
vot2
SEiot2
VDC
iph3
vot3
SEiot3
VDC
iph4
vot4
SEiot4
VDC
iph5
vot5
SEiot5
VDC
Phases couplées magnétiquement
Onduleur multibras
Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.
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vdq1
vo
Ctot
imh
imp
iph1
vot1
MP
MS
SE
SM
Cmp
Cms
vdq2
ims
iot1
VDC
MHCmh
iph2
vot2
SEiot2
VDC
iph3
vot3
SEiot3
VDC
iph4
vot4
SEiot4
VDC
iph5
vot5
SEiot5
VDC
Couplage mécanique
Ctot=Cmh+ Cmp+ Cms
- 3.Machine synchrone pentaphasée -
3 Machines
fictivesCouplage électrique
(Projection dans les espaces propres)
5
16sin
5
16cos
5
8sin
5
8cos
2
15
12sin
5
12cos
5
6sin
5
6cos
2
15
6sin
5
6cos
5
4sin
5
4cos
2
15
4sin
5
4cos
5
2sin
5
2cos
2
1
01012
1
5
2C5
Onduleur fictif
Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.
13• 3.1 Outil d’analyse
• 3.2 Outil de synthèse: MLI originale de l’onduleur de tension adaptée
• 3.3 Outil de synthèse: commande vectorielle des deux machines fictives
• 3.4 Un fonctionnement sur 4 phases
- 3. Plan: Machine synchrone pentaphasée
Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.
14
M. Secondaire
60
- 3.1. Outil d’analyse -
Courant de phase
MLI intersective
« triangle/sinus »
Projections
M. Principale
200
M. Homopolaire
400
Analyse des ondulations parasites du courant
M. Homopolaire
400
Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.
15
vdq1
25= 32 vecteurs
- 3.2 Outil de Synthèse: MLI originale -
vdq1
vo
imh
imp
iph1
vot1
SE
vdq2
ims
iot1
VDC
MP
MS
MH
iph2
vot2
SEiot2
VDC
iph3
vot3
SEiot3
VDC
iph4
vot4
SEiot4
VDC
iph5
vot5
SEiot5
VDC
Onduleur triphasé
alimentant machine diphasée
Onduleur …alimentant 2 machines diphasées et une machine monophasée
3 onduleurs indépendants alimentant 3 machines
Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.
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M. Secondaire
60
homopolaire
Courant de phase
MLI intersective
Projections
M. Principale
200
M. Homopolaire
400
Analyse des ondulations parasites du courant
M. Homopolaire
400
- 3.2 Outil de Synthèse: MLI originale -
Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.
17
Projections
0M 2M,1M
13M15M
14M
16M
17M
18M
19M
20M21M
22M
23M 24M
25M
4M,3M6M,5M
8M,7M
10M,9M12M,11M
26M
M. Homopolaire0.025 0.026 0.027 0.028 0.029 0.03
-10
-5
0
5
10
23M,21M,19M,11M,7M,3M
18M,17M,16M,15M,14M,13M,0M
24M,22M,20M,9M,5M,1M
12M,8M,4M
26M
10M,6M,2M
25M
0
hhomopolaire
1
2
3
-1
-2
-3
M. Principale
M. Secondaire
Synthèse d’une commande
?
- 3.2 Outil de Synthèse: MLI originale -
Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.
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SM
Ctot
Crés
v1
v0 imh
vdq1
1
vdq2
imp
ims
MH
MP
MS
ezimh
imp ep
ims es
Cmh
Cmp
Cms
i1v2 i2v3 i3v4 i4v5 i5
3 accumulateurs inductifs
valeurs propres)
- 3.3 Commande vectorielle machine pentaphasée -
Modèle causal REM (Représentation Energétique Macroscopique)
pour la commandeMachines fictives
Couplage électrique
Couplage mécanique
Ctot=Cmh+ Cmp+ Cms
Accumulateur cinétique
Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.
19
SM
Cem
Crés
uhih
up
us
imo
ims
MH
MP
MS
ehih
ip ep
is es
Ch
Cp
Cs
réf
Crégihrég
Critèrescouples
Chrég
Cprég
Csrég
i1v2 i2v3 i3v4 i4v5 i5
m2rég
m1rég
m3régm4régm5rég
uhrég
uprég
usrég
Déduction systématique d’une Structure Maximale de Commande SMC
- 3.3 Commande vectorielle machine pentaphasée -
v1
COMMANDE
Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.
20Choix des critères couples ?
• Machine homopolaire monophasée non alimentée• 2 machines diphasées alimentées afin d’optimiser le rendement…vecteur fem et vecteur courant colinéaires
En fonctionnement normal
- 3.3 Commande vectorielle machine pentaphasée -
ihréf = 0 mprefmp eki msrefms eki
In fine,…simplement
deux commandes vectorielles de machines diphasées
mhmhmsmsmpmpem iei.ei.ei.eC
Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.
21Asservissement de vitesse: 2 machines
actives
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
ref
mes
ipqreg
isqreg
- 3.3 Commande vectorielle machine pentaphasée -
Vitesse expérimentale
Courant dans la
Machine principale
(à partir des mesures
des courants réels)
Courant dans la
Machine secondaire
Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.
22Courant de phase et courants
d,q
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05-6
-4
-2
0
2
4
6
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05-2
-1
0
1
2
3
4
Avec iqms= 30% iqmp…pertes Joule minimales
- 3.3 Commande vectorielle machine pentaphasée -
M. Principale
M. Secondaire
0
0
impd
impq
imsq
imsd
Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.
23
- 3.4 Mode dégradé: fonctionnement sur 4 phases -
Hypothèse d’une machine « sinus » sans harmonique de fem
Stratégie: ne piloter que les machines principale et secondaire
Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.
24
- 3.4 Mode dégradé: fonctionnement sur 4 phases -
Hypothèse d’une machine « sinus » sans harmonique de fem
Courants dans les machines fictives et couple total
COUPLE
Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.
25
Conclusion
Entraînement polyphasée intrinsèquement …plus fiableEntraînement polyphasée intrinsèquement …plus fiable
Formalisme… représentation conceptuellement pratique d’utilisationFormalisme… représentation conceptuellement pratique d’utilisation
Formalisme…outil d’analyse et de conception…de la commande … du Formalisme…outil d’analyse et de conception…de la commande … du
générateurgénérateur
Formalisme…comparaison aux autres SMMFormalisme…comparaison aux autres SMM
Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.
26
Seulement la machine principale
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
- 3.3 Commande vectorielle machine pentaphasée -
Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.
27Fem réelle
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.
28
0.2 0.205 0.21 0.215 0.22 0.225 -250 -200 -150 -100
-50 0
50 100 150 200 250
principale
secondaire
homopolaire
Fem des machines fictivesLes fem sont composéespar des familles harmoniques de la fem réelle.
Chaque machine peutfournir un coupleconstant (principale-diphasée) ou non (homopolaire).Ch = eh . ih
Cp = ep . ip
Cs = es . is