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Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande. Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande. 1 Avion Electricité Avion Electricité Journée club EEA Journée club EEA 18-19 mars 2004 18-19 mars 2004 B. Davat F. Meibody- Tabar H. Razik 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 SMM Systèmes Multimachines Multiconvertisseurs du Groupement de Recherche ME 2 MS

Avion Electricité Journée club EEA 18-19 mars 2004

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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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Page 1: Avion Electricité Journée club EEA 18-19 mars 2004

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

Page 2: Avion Electricité Journée club EEA 18-19 mars 2004

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)

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Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.

3

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

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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 -

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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 -

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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

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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

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Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.

8

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)

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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 -

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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 -

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Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.

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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 -

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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

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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

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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

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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

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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

Page 23: Avion Electricité Journée club EEA 18-19 mars 2004

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

Page 24: Avion Electricité Journée club EEA 18-19 mars 2004

Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.

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- 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

Page 25: Avion Electricité Journée club EEA 18-19 mars 2004

Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.

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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

[email protected]

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Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.Machine polyphasée: de la modélisation Multmachines à la commande.

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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 -

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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

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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