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RPUBLQUE ALGRENNE DMOCRATQUE ET POPULAREMNSTRE DE LENSEGNEMENT SUPREUR ET DE LA RECHERCHE SCENTFQUE

UNVERST MENTOUR CONSTANTNEFACULT DES SCENCES DE LNGNEUR

DPARTEMENT DLECTROTECHNQUE

PRSENTE POUR LOBTENTON DU DPLME DE DOCTORAT EN SCENCES

EN LECTROTECHNQUE

SPCALT

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Prsident: ASSA BOUZID Prof. Univ. Mentouri ConstantineRapporteur: HOCINE BENALLA Prof. Univ. Mentouri Constantine

Examinateurs: RACHID ABDESSEMED Prof. Univ. Hadj Lakhdar BatnaAMMAR MOUSSI Prof. Univ. Mohamed Khider BiskraAMAR BENTOUNSI M. C. Univ. Mentouri Constantine

!!!!

CONTRIBUTION A LA COMMANDE

DIRECTE DU COUPLE

DE LA MACHINE ASYNCHRONE

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Ddicaces

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REMERCIEMENTS

Les travaux de recherche prsents dans ce mmoire ont t effectus au LaboratoiredElelectrotechnique de lUniversit de Constantine(L.E.C).

Je commencerais par exprimer ma profonde gratitude enversmon directeur de thse Monsieur Hocine

BENALLA, Professeur lUniversit de Constantine, pour laconfiance quil ma toujours tmoigne.Jai tout particulirement apprci sesencouragements et ses conseils, surtout en fin de thse. Notrecollaboration ma permis deprogresser et de me constituer de solides bases pour le futur. En outre, ilma permis decomprendre de ne jamais abandonner en recherche malgr les nombreux obstacles...Je tiens galement remercier :

Monsieur Assa BOUZID, Professeur lUniversit de Constantine, qui ma fait lhonneur de prsider

le jury,Mes remerciements vont galement aux membres du jury qui m'ont fait l'honneur de participerau jury pour lintrt quil ont bien voulu porter ce travail, en acceptant de lexaminer, enl'occurrence : Monsieur Rachid ABDESSEMED, Professeur lUniversit de Batna, Monsieur

Ammar MOUSSI, Professeur lUniversit de Biskra et Monsieur Ammar BENTOUNSI, Matre deconfrence lUniversit de Constantine.Leurs intervention vont sans aucun doute enrichie le dbat et ouvrir de nouvelles perspectives mes

travaux.

Je tiens aussi exprimer ma profonde gratitude et mes remerciements les plus sincres Monsieurs

Med El-Hadi LATRECHE Directeur de LEC de lUniversit de Constantine.

Je suis reconnaissant envers Monsieur Yves-Andre Chapuis, Professeur (CNRS) France,Monsieur

Xavier Roboam Charg de Recherches (CNRS) France et Monsieur Miloudi Abdallah professeur du

C.U Moulay Thahar Saida pour l'intrt qu'il mont tmoigns envers mon travail et la

documentation qil ma transmise.

Que ceux que jai oubli de citer sachant combien je leur serais toujours reconnaissant.

Je nose citer des noms de peur doublier quelquun mais je garderai en mmoire leur aide et leursoutien.Mes remerciements sadressent aussi tous mes collgues mes amis et tous les membres de ma

famille, en particulier ma femme, pour leurs encouragements et leur appui moral qui mont permis de

mener bon terme ce travail.

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Travaux scientifiques

Publications Internationales1. ACSE International Journal on Automatic Control and System Engineering, Volume 6, Issue 2, pp.33-40, June 2006.

ISSN 1687-4811

Titre:Direct Torque Control for Induction Motor Using Fuzzy LogicAuteurs: Riad Toufouti, Salima Meziane & Hocine Benalla

2. IJAER International Journal of Applied Engineering Research Volume 2, Number 3, pp.453466,2007.

ISSN 0973-4562

Titre:Direct Torque Control for Induction Motors Based on Discrete Space Vector Modulation

Auteurs: Riad Toufouti, Salima Meziane & Hocine Benalla.

3. ACSE International Journal on Automatic Control and System Engineering, Volume 6, Issue 3, pp.47-53, October 2006.

ISSN 1687-4811

Titre:Review of Direct Torque and Flux Control Methods for Voltage Source Inverter Fed Induction

Motor

Auteurs: Salima Meziane, Riad Toufouti & Hocine Benalla

4. JATIT Journal of Theoretical and Applied Information Technology, Volume 3, Number 3, pp.35-44, July-September, 2007.

ISSN 1992-8645Titre:Direct Torque Control for Induction Motor Using Intelligent Techniques

Auteurs: Riad Toufouti, Salima Meziane & Hocine Benalla

5. ACTAElectrotechnica et Informatica, Volume 7, Number 1 pp. 22-28, 2007.ISSN 1335-8243

Titre:Direct Torque Control Strategy of Induction Motors

Auteurs: Riad Toufouti, Salima Meziane & Hocine Benalla.

Publications Nationales1. COST Communication Sciences et Technologie,N 6, pp. 22-28, 2007. Janvier 2008.

ISSN 1112-5187

Titre: Correction dondulation du couple et de flux de la DTC dune machine asynchrone

Auteurs: Riad Toufouti, Salima Meziane & H. Benalla.

Communications Internationales1. World Conference on Energy for Sustainable Development: Technology Advances andEnvironmental Issues, Cairo, Egypt, December 6-9, 2004.

Titre:DTC Modifie Dun Moteur AsynchroneAuteurs: Toufouti Riad, Meziane Salima & Benalla Hocine

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2. World Conference on Energy for Sustainable Development: Technology Advances andEnvironmental Issues, Cairo, Egypt, December 6-9, 2004.

Titre: Contrle Direct du Couple de la Machine Asynchrone Alimente par un Onduleur de Tension

Trois-Niveaux

Auteurs: Toufouti Riad, Meziane Salima & Benalla Hocine.

3.PCIM05 International Conference Power Electronics Intelligent Motion, Power Quality / EnergyManagement June 7 9, 2005 in Nrnberg, Germany

Titre:A Modified Direct Torque Control Strategy for Flux And Torque Ripple Reduction for Induction

Motors DriveAuteurs: Toufouti Riad, Benalla Hocine & Meziane Salima.

4.SSD07 Fourth International conference on Systems, signals & Devices,Volume II: Conference onPower Electrical Systems Hammamet, Tunisia March 19-22, 2007

Titre: The space sectors modification for direct torque control of induction motorAuteurs: Toufouti Riad, Meziane Salima , Hocine Benalla & Fateh Mehazem.

Communications Nationales1. ICEEA06 Confrence Internationale sur llectrotechnique et ses Applications, Sidi Bel Abbes,22-23 Mai 2006.

Titre: Etude comparative entre la DTC deux-niveaux et la DTC trois-niveaux de la machine

asynchroneAuteurs: Salima.Meziane, Riad Toufouti & H. Benalla.

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LISTE DES SYMBOLES

Paramtres du Modle

Rs Rsistance statorique.

Rr Rsistance rotorique.

Ls Linductance propre dune phase statorique.

Lr Linductance propre dune phase rotorique.

Msr La mutuelle inductance entre phases statoriques et rotoriques

J Moment dinertie du rotorp Nombre de paires de ples

Variables lectriques et mcaniques de la machineE Tension continue lentre de londuleur

Vs La tension statorique

Is Le courant statorique

Ir Le courant rotorique

s Le flux du stator

r Le flux du rotor

s La pulsation statorique

La pulsation mcanique

sl La pulsation de glissement

r Langle lectrique entre le rotor et le stator

sl Langle lectrique entre laxe d et le rotor.

s Langle lectrique entre laxe d et le stator

rLsL

M2

1 = Coefficient de dispersion de Blondel

rRrLrT = La constante de temps rotorique

sR

sLsT =

La constante de temps statorique

langle entre les vecteurs flux statorique et rotorique

Cr Couple de charge

Indices

Variables de commande et de rgulation

a, 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 (,)

Te La priode d'chantillonnage

KP, KI Le gain proportionnel et intgral de lestimateur PIe

C Le couple estim

s Le flux estim

eC Le couple de rfrence

s Le flux de rfrence

fc

Le pas d'apprentissage

La frquence de commutation

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ABRVIATIONS

MAS Machine asynchrone

IFOC Acronyme de Indirect Field oriented control

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 AcronymeGate Turn Off

ANN Acronyme artificial neural networks

MLP Acronyme Multi layer Perceptrons

FNN Acronyme Fuzzy neural Networks

FLP Acronyme Fuzzy logic processor

MLI Modulation par largeur dimpulsion

RN Rseaux neurone

LF Logique floue

RLF Rgulateurpar logique floue

DTNC Commande neuronale directe du couple

DTFC Commande floue directe du couple

DTNFC Commande Neuro-Floue directe du couple

ANFIS Contrleur dinfrence Neuro Floue Adaptatif

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SommaireINTRODUCTION GENERALE -----------------------------------------------------------------------------------------01

CHAPITRE 1 ETAT DE LART DE LA COMMANDE DIRECTE DU COUPLE DE LA MACHINEASYNCHRONE -------------------------------------------------------------------------------------------------- 05

1.1 Introduction-------------------------------------------------------------------------------------------------------- 051.2 Commande Scalaire ---------------------------------------------------------------------------------------------- 061.3 Commande Vectorielle------------------------------------------------------------------------------------------- 071.4 Commande Directe de Couple ----------------------------------------------------------------------------------- 08

1.4.1. Caractristiques Gnrales dune Commande Directe de Couple --------------------------------- 091.4.2. Avantages de la Commande Directe de Couple ------------------------------------------------------- 09

1.4.3. Inconvnients de la Commande Directe de Couple -------------------------------------------------- 091.5 Le DSC (Direct Self Control) -------------------------------------------------------------------------------------- 101.6 Techniques damlioration de la DTC --------------------------------------------------------------------------- 101.7 Rsum de ltat de lart des stratgies de commande pour les machines lectriques -------------- 161.8 Points de Notre contribution -------------------------------------------------------------------------------------- 18

CHAPITRE 2 MODELISATION ET COMMANDE VECTORIELLE DE LA MACHINEASYNCHRONE----------------------------------------------------------------------------------------- 19

2.1 Introduction ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 192.2 Description Du Moteur Asynchrone A Cage ---------------------------------------------------------------- 202.3 Problmes Poss Par Le Moteur Asynchrone --------------------------------------------------------------- 212.4 Hypothses Simplificatrices --------------------------------------------------------------------------------------- 212.5 Modlisation De La Machine Asynchrone ------------------------------------------------------------------- 22 2.5.1. quations lectriques ----------------------------------------------------------------------------------------- 22

2.5.2. Equations Magntiques--------------------------------------------------------------------------------------- 232.5.3. Modle de Park. ------------------------------------------------------------------------------------------------ 23

2.5.4. Modle Exprim Dans Le Repre (d,q) Li Au Champ Tournant ---------------------------------- 25 2.5.5. Modle Exprim Dans Le Repre (d,q) Li Au Stator ----------------------------------------------- 272.6. Modlisation Des Onduleurs De Tension.----------------------------------------------------------------------- 28

2.6.1. Vecteurs Tension Et Squences De Niveaux De Phase Dun Onduleur A 2-Niveaux----------- 292.6.2. Structures de MLI--------------------------------------------------------------------------------------------- 30

2.7. La Commande Vectorielle Des Machines Asynchrones---------------------------------------------------- 31 2.7.1. Dcouplage De La Commande Selon L'orientation Du Flux ----------------------------------------- 32 2.7.2. Analogie avec le moteur courant continu --------------------------------------------------------------- 33 2.7.3.Etude des Mthodes Directe et Indirecte du Contrle Flux Rotorique Orient------------------ 34 2.7.3.1. Le contrle direct---------------------------------------------------------------------------------------- 34

2.7.3.2. Le contrle indirect------------------------------------------------------------------------------------- 352.7.3.3. Conclusion sur les mthodes de contrle direct et indirect flux rotorique orient--------- 38

2.8. Conclusion -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 44CHAPITRE3 COMMANDE DIRECTE DU COUPLE DE LA MACHINE ASYNCHRONE ------------ 453.1. Introduction------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 453.2. Les Commandes En Amplitude ----------------------------------------------------------------------------------- 463.3. Principe De La Commande DTC Et DSC --------------------------------------------------------------------- 46 3.3.1. Contrle Direct Du Couple----------------------------------------------------------------------------------- 47 3.3.1.1. Contrle du flux statorique -------------------------------------------------------------------------- 48

3.3.1.2. Contrle du couple lectromagntique ------------------------------------------------------------ 50

3.3.2. Estimation Du Flux Statorique Et Du Couple Electromagntique ------------------------------- 533.3.2.1.Estimation du module et du secteur position du flux statorique -------------------------------- 53

3.3.2.2. Estimation du couple lectromagntique --------------------------------------------------------- 54

3.3.3. Rglage Du Flux Statorique Et Du Couple Electromagntique ------------------------------------- 553.4. Prsentation Et Utilisation Du Module De Simulation En Matlab/Simulink--------------------------- 573.5.Influences des Bandes d'hystrsis des Comparateurs----------------------------------------------------- 60 3.5.1.Effet de la bande d'hystrsis du comparateur de flux. ----------------------------------------------- 58 3.5.2.Effet de la bande d'hystrsis du comparateur de couple -------------------------------------------- 60 3.5.3. Contrle Vectoriel Direct Du Flux Statorique : DSC--------------------------------------------------- 633.6 Conclusion -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 68

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CHAPITRE4 AMELIORATION DES PERFORMANCES DE LA DTC DE LA MACHINEASYNCHRONE -------------------------------------------------------------------------------------- 69

4.1 Introduction------------------------------------------------------------------------------------------------------------694.2. Etude du Rgime Transitoire et tabli du flux statorique -----------------------------------------------704.2.1. Etablissement Simultan Du Flux Et Du Couple ----------------------------------------------------------704.2.1.1. Phnomne dondulation du flux statorique------------------------------------------------------------------70

4.2.2. Fin Dtablissement Du Flux Avec Un Couple Etabli -----------------------------------------------------724.2.2.1. Etude De Linfluence Du Terme Rsistif -------------------------------------------------------------------- 724.2.3. Correction Des Ondulations Du Flux ------------------------------------------------------------------- 74

4.2.3.1. Le Mode de Dcalage des Zones ----------------------------------------------------------------------------- 744.2.4. Effet De La Variation De Rsistance Statorique Sur La Command DTC-------------------------77

4.2.4.1. Influence de la variation de la rsistance statorique -------------------------------------------------------77

4.2.4.2. Estimation et compensation de la variation de la rsistance statorique ------------------------------- 77

4.3. Amlioration Des Performances De La DTC -----------------------------------------------------------------824.3.1.Le contrle direct du couple modifie --------------------------------------------------------------------------824.3.2. Le contrle direct du couple douze secteurs ------------------------------------------------------------------854.3.3. Contrle direct du couple bas sur la modulation vectorielle --------------------------------------------884.3.3.1. Modle approximatif de la machine --------------------------------------------------------------------------894.3.3.2. Contrle du flux et du couple --------------------------------------------------------------------------------- 90

4.3.4. DTC Dune Machine Asynchrone Alimente Par Onduleur 3 Niveaux -------------------------- 954.3.4.1. Onduleurs Multi-niveaux------------------------------------------------------------------------------------- 954.3.4.2. Topologies Donduleurs Multiniveaux ---------------------------------------------------------- 96

4.3.4.3. Prsentation de Londuleur de Tension Trois Niveaux --------------------------------------- 96

4.3.4.4. DTC de la Machine Asynchrone Alimente par un Onduleur 3- Niveau ------------------ 98

4.4. Conclusion -----------------------------------------------------------------------------------------------------------101

CHAPITRE 5. DTC DE LA MACHINE ASYNCHRONE BASE SUR LES TECHNIQUESINTELLIGENTES -----------------------------------------------------------------------------------103

5.1. Introduction ----------------------------------------------------------------------------------------------------------1035.2. Les Rseaux De Neurones -----------------------------------------------------------------------------------------1045.2.1. Les Rseaux De Neurones Artificiels--------------------------------------------------------------------------1045.2.1.1. Neurone formel --------------------------------------------------------------------------------------------------102

5.2.1.2. Perceptrons multicouches----------------------------------------------------------------------------------- 1055.2.2. Commande neuronale directe du couple (DTNC) ----------------------------------------------------107

5.3. Logique Floue -------------------------------------------------------------------------------------------------------1095.3.1. Dfinition de la Logique Floue --------------------------------------------------------------------------------109

5.3.1. Commande Par Logique Floue----------------------------------------------------------------------------1105.3.2. Principes gnraux d'une commande par logique floue -----------------------------------------------110

5.3.2.1. Fuzzification -----------------------------------------------------------------------------------------------------1115.3.2.2. Base de rgles et dfinitions -----------------------------------------------------------------------------------111

5.3.3. Dfuzzification -------------------------------------------------------------------------------------------------1125.3.4. Commande Floue directe du couple (DTFC) ----------------------------------------------------------------1135.4. Les Rseaux de Neurones Flous ---------------------------------------------------------------------------------119

5.4.1 Les Diffrentes approches des FNN ----------------------------------------------------------------------1195.4.2. Commande Neuro-floue directe du couple (DTCNF): -----------------------------------------------120

5.4.2.1. Contrleur dinfrence Neuro Floue Adaptatif (ANFIS) --------------------------------------1205.4.3. Commande directe du couple base sur les rseaux Neuro Floue Adaptatif---------------------121

5.5. Conclusion -----------------------------------------------------------------------------------------------------------124

Conclusion Gnrale ----------------------------------------------------------------------------------------------------125Annexe A ------- -----------------------------------------------------------------------------------------------------------127Annexe B ------ ------------------------------------------------------------------------------------------------------------128Annexe C ------ ------------------------------------------------------------------------------------------------------------134Annexe D ------ ------------------------------------------------------------------------------------------------------------137Bibliographique ----------------------------------------------------------------------------------------------------------149

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Depuis le dbut des annes 1960, la machine courant continu occupe une place

prpondrante dans le domaine des asservissements de position de prcision [12]. Nanmoins,

ce type dactionneur prsente des inconvnients majeurs de par son cot lev, ses limitations

en puissance et en vitesse de rotationetc.

Par la suite, la machine asynchrone bnficia dune attention particulire dans les

installations industrielles modernes, pour plusieurs raisons, notamment : son faible cot, sa

masse rduite, sa robustesse et sa simplicit de fabrication et d'entretien.

Cette simplicit s'accompagne toutefois d'une grande complexit physique, lie aux

interactions lectromagntiques, mcaniques,.etc.

D'autre part, la diffrence du moteur courant continu o il suffit de faire varier la

tension d'alimentation de l'induit pour faire varier la vitesse, le moteur asynchrone ncessite

l'utilisation de courants alternatifs de frquence variable. L'un des principaux problmes tait

li l'onduleur devant fonctionner en commutation force.

La machine asynchrone a donc longtemps t utilise essentiellement vitesse constante,

faute de pouvoir matriser convenablement la dynamique de l'ensemble moteur-charge.

L'apparition des thyristors GTO et, par la suite, des transistors IGBT a permis le

dveloppement d'onduleurs MLI performants, fiables et faible cot. Le problme de

l'alimentation tant pratiquement rgl les stratgies de commande ont pu tre implantes

dans des conditions satisfaisantes.

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).

Notons par ailleurs que la commande vectorielle impose gnralement le pilotage dun

convertisseur de puissance travers un modulateur de puissance. On parle alors de techniques

de Modulation de Largeur dImpulsion (MLI). Depuis, de nombreuses applications

technologiques ont pu tre dveloppes et ralises dans des secteurs industriels comme la

traction ferroviaire, le domaine des machines-outils et dernirement le vhicule lectrique.

Cependant cette structure ncessite, en gnral, la mise en place dun capteur sur larbre pour

la connaissance dune grandeur mcanique [5]. De plus elle reste trs sensible aux variations

des paramtres de la machine, notamment celles de la rsistance rotorique, qui sont dlicates

identifier en cours de fonctionnement [6]-[13]. Pour cela, beaucoup d'algorithmes et autres

arrangements ont t dvelopps pour prendre en compte ces variations de paramtres de la

machine dans la commande [7]-[13].Nanmoins, ces arrangements augmentent la complexit

et le cot de systme.

Introduction Gnrale..

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Les mthodes de contrle direct de couple (DTC: Direct Torque Control)des machines

asynchrones sont apparues la fin des annes 1980, concurrenant les mthodes de

commande vectorielle. Au contraire de ces dernires, qui sont bases sur des formalismes

mathmatiques pointus mais rigoureux[7], les techniques de contrle direct taient leur

origine bases sur une connaissance qualitative et simplifie du comportement de la

machine[50]. Souvent, les actions de rglage taient entreprises en recourant de simples

comparateurs hystrsis et des tableaux de localisation [6,50]. Limplmentation de ces

algorithmes tait donc plus simple, une poque o les moyens informatiques ne cessaient de

progresser en puissance et en vitesse.

Les avantages dterminants attribus aux techniques DTC classiques (dynamique,

robustesse, facilit dimplmentation, performances aux faibles vitesses) sont nanmoins

contre balancs par lutilisation dun comparateur hystrsis chantillonn ; par principe, le

comparateur conduit un fonctionnement frquence de commutation variable qui augmente

les risques dexcitation de rsonances mcaniques ou acoustiques. Lchantillonnage

frquence finie se traduit par un dpassement pseudo-alatoire de la bande dhystrsis ;

dautre part linfluence de variation de la rsistance statorique de la machine asynchrone est

due gnralement la variation de la charge et de la temprature du milieu ambiant. Elle varie

pratiquement d'une manire irrgulire pendant le fonctionnement, cette variation provoquant

une erreur d'estimation du flux statorique et du couple, ce qui peut causer l'instabilit de la

DTC par l'application de squences non conformes l'tat de l'entranement [54]. Pour cela,

nous allons dvelopper plusieurs techniques damlioration des performances de la DTC dans

ce manuscrit qui comporte cinq chapitres:

Dans le premier chapitre nous passerons en revue les principales stratgies du typecontrle direct classiques et de deuxime gnration que nous jugeons les plus

reprsentatives de ltat de lart actuel.

Dans le deuxime chapitre, nous commencerons par la modlisation du systmemachine asynchrone onduleur. Dans la premire partie on donnera la reprsentation

mathmatique de la machine asynchrone dans un rfrentiel triphas avant dutiliser

la transformation de Park pour rduire sa reprsentation des rfrentiels biphass.

Dans la seconde partie on procdera la modlisation de londuleur deux niveaux.

Dans la troisime partie on exposera les principes de la commande vectorielle des

machines asynchrones, en se limitant plus particulirement la commande indirecte


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flux rotorique orient appele IFOC (Indirect Field Oriented Control). On dcrira les

principales structures ncessaires pour le contrle des courants, le calage du

rfrentiel et le contrle de flux rotorique.

Dans la premire partie du troisime chapitre, nous dveloppons le principe descommandes en amplitudes de la MAS avec un intrt particulier au contrle direct du

couple, noyau de notre thme. Pour cette stratgie de commande, nous expliquerons le

principe de rglage du flux et du couple lectromagntique en se basant sur le modle

discret de londuleur de tension deux niveaux et en utilisant les vecteurs de tension

gnrs. La deuxime partie de ce chapitre est destine ltude de l'effet des bandes

hystrsis sur les performances de la commande DTC. On terminera par ltude du

contrle vectoriel direct du flux statorique [Direct Self Control (DSC)].

Au quatrime chapitre, nous dfinirons quelques stratgies damlioration de la DTC.Dans la premire partie, on tudiera le fonctionnement en rgime transitoire

magntique. On analysera les problmes lis ltablissement des grandeurs flux et

couple. Par la suite, on dveloppera une tude de fonctionnement en rgime

magntique tabli. Plus particulirement, on analysera linfluence du terme rsistif sur

le contrle du couple. On tudiera galement lvolution du couple, on pourra ainsi

relever les dfauts de progression du couple, qui apparaissent basses vitesses, o

nous prsentons une mthode de compensations de ces effets laide dune fonction

de dcalage des zones de position du flux statorique. Par la suite on prsente l'effet de

variation de la rsistance statorique sur les performances de la DTC ; cette tude a t

accompagne par une mthode d'estimation de la rsistance statorique pour compenser

convenablement cette variation et amliorer la robustesse de la commande DTC. Afin

de surmonter les inconvnients du DTC, nous allons tudier quelques amliorations de

la DTC classique comme la DTC modifie, DTC 12 secteurs et la DTC base sur MLI

vectorielle. En fin de chapitre, on prsentera l'utilisation des onduleurs multi niveaux

qui permet dobtenir le grand nombre de vecteurs de tension, afin d'amliorer le

contrle de flux et du couple et de rduire la frquence de commutation.

Le cinquime chapitre sera consacr dvelopper quelques techniques intelligentespour amliorer les performances dynamiques de la commande directe du couple, ces

mthodes consistent remplacer les comparateurs classiques et la table de slection

appliqus au DTC de la machine asynchrone par un contrleur bas sur les rseaux


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neurones, la logique floue et neuro-flou, pour conduire le flux et le couple vers leur

valeurs de rfrence durant une priode de temps fixe. Cette valuation est obtenue en

utilisant lerreur du couple lectromagntique, lerreur du module et langle du vecteur

flux statorique.

Enfin, nous conclurons cette thse en prsentant les perspectives quant la poursuitede ces travaux qui peuvent tre envisages.


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ETAT DE LART DE LA COMMANDE

DIRECTE DU COUPLE DE LA MACHINE

ASYNCHRONE

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1. ETAT DE LART DE LA COMMANDE DIRECTE DU COUPLE DE LA MACHINE

ASYNCHRONE

1.1. Introduction

L'histoire des moteurs lectriques remonte jusqu' 1820, quand Hans Christian Oersted a

dcouvert l'effet magntique d'un courant lectrique. Un an aprs, Michael Faraday a

dcouvert la rotation lectromagntique et a construit le premier moteur primitif de courant

continu.Faraday par la suite en 1831 a dcouvert les phnomnes lectromagntiques [1].

Dans les annes 1960, la machine courant continu occupe une place prpondrante dans

le domaine des asservissements de position et de prcision [5,12]. En effet, cette poque, les

industriels ont mis au point des asservissements analogiques performants qui ont contribu

rendre pratiquement incontournable ce type de moteur pendant plusieurs dcennies dans la

plupart des installations industrielles que ce soit en robotique ou en commande numrique de

machines-outils[5,6,12]. Nanmoins, ce type dactionneur prsente des inconvnients de par

son prix lev (tant en fabrication quen maintenance). A cause de son collecteur, sa

puissance et sa vitesse de rotation se retrouvent limites, sa sensibilit vis vis des

environnements corrosifs et son incapacit travailler en atmosphre explosive [4,10].

Aussi, ces limitations demploi ont pouss la recherche vers dautres solutions faisant

intervenir des actionneurs moins coteux et plus robustes, savoir les machines courant

alternatif, en particulier le moteur asynchrone. Ainsi, les progrs effectus en lectronique de

puissance et de commande ont permis de remplacer les machines courant continu par des

machines courant alternatif dans le domaine de la vitesse variable [6-24]. On peut citer

titre dexemple la traction lectrique (trains grande vitesse) o les moteurs courant continu

des annes 1970 ont t remplacs par des moteurs synchrones autopilots dans les annes

1980, puis par des machines asynchrones en 2000 ; cette mutation sest galement produite

sur les mtros et d'autres moyens de transport [2,4].

De ces tudes sur les entranements lectriques vitesse variable, il ressort que le moteur

cage est de loin le moins coteux en terme de construction et dentretien, et le plus lectro-

mcaniquement robuste des moteurs alternatifs [3,4,20]. Cependant, le dveloppement de

stratgies de commande pour contrler la vitesse des moteurs asynchrones est pralablement

ncessaire, parce que contrairement leur structure mcanique qui est robuste et simple, sa

structure mathmatique est trs complexe (systme multi variable et non linaire) [8,10,13].

C'est dans ce domaine quun effort considrable de recherches a t ralis. L'objectif

tant de trouver des stratgies de commande de vitesse convenables aux moteurs asynchrones.

CHAPITRE I ..

5

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Depuis quelques dcennies plusieurs stratgies de commandes ont t dveloppes et

amliores :

1.2. Commande scalaire

C'est l'une des premires commandes, dveloppe pour la variation des moteurs

asynchrones. Dans cette commande, on sintresse qu l'amplitude de la variable contrle et

non sa phase. On considre dans la littrature deux types de commande scalaire [7,8,12] :

La commande scalaire indirecte o le flux magntique est contrl en imposant le rapportamplitude / frquence de la tension ou du courant.

La commande scalaire directe o le flux magntique est contrl partir de son estimationou de sa mesure.

La deuxime mthode est plus difficile mettre en pratique et nous nous intressonsuniquement la premire approche qui de par sa simplicit est la plus utilise [5,12][109].

En rgime statique, le couple est dtermin selon lquation (1.1)

rRr

2rp=Ce

3 (1.1)

Cette quation montre que si le flux est maintenu constant, on obtient une caractristique

de commande rappelant celle de la machine courant continu o le rle du courant dinduit

est jou par la pulsation rotorique

r

.

En ngligeant la chute de tension ohmique dans le bobinage statorique, le flux

rotorique peut tre maintenu constant si la tension statorique reste proportionnelle la

pulsation [12]. Cette hypothse nest plus applicable aux basses vitesses et il faut alors

imposer la tension statorique une valeur plus grande que celle que donnerait un rapport

(tension/pulsation) constant [3,6,12].

Figure 1.1. Schma classique de commande scalaire

La figure (1.1) reprsente le schma classique de commande scalaire indirecte [7] Lerreur

e de vitesse permet par l'intermdiaire dun rgulateur PI de gnrer la pulsation de glissement

Etat de lart de la DTC de la machine asynchrone..

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sl qui ajoute la pulsation rotorique rdonne la pulsation s des tensions statoriques [5].

De cette dernire, on dtermine la tension statoriqueVs en utilisant la loi (u/f) constante [3,5].

Cette stratgie de contrle permet dobtenir de bons rsultats pour des consignes de vitesse

sensiblement constantes. Par contre, pour un dmarrage ou pour une inversion de sens derotation de la machine, le flux oscille fortement avec des grandes amplitudes et son module

est variable durant les rgimes transitoires [7,8].Ceci explique pourquoi les relations utilises

pour calculer cette commande ne sont valables que dans le rgime permanent.

Ces oscillations vont se reproduire sur la qualit du couple et la vitesse, dgradant ainsi les

performances en rgime transitoire de la machine. Ce type de commande nest donc employ

que pour des applications o la variation de vitesse n'est pas grande telle en pompage ou en

ventilation [3,7]. Ainsi, ce type de contrle est inadapt lorsque lon veut raliser un

positionnement de la machine tel en robotique ou en commande numrique de machine outils.

Il faut alors faire appel des techniques plus adaptes telle que la commande vectorielle,

objet de notre tude.

1.3. Commande vectorielle (FOC)

Introduite par Blaschke [9] en 1972, elle constitue une rvolution historique pour la

commande de la machine asynchrone. Cette technique consiste ramener le comportement de

la machine asynchrone, du point de vue variation de vitesse, celui du moteur courant

continu [2-6], en effectuant un dcouplage entre le flux et le couple lectromagntique

[10-17]. Cette stratgie de commande utilise deux boucles de rgulation pour contrler en

mme temps le couple et flux voir la figure1.2.

Figure. 1.2. Structure gnrale du contrle direct flux rotorique orient

Sa prcision est trs bonne pour le couple et la vitesse. Toute mthode a des inconvnients

et ceux de cette technique sont le volume de traitement informatique ncessaire pour son

implmentation et l'obligation de faire une bonne identification des paramtres du moteur

[15-21][109]. Elle prsente aussi une grande sensibilit aux variations de ces paramtres,

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notamment celle de la rsistance rotorique dont la valeur change sensiblement avec la

temprature [15,20]. Toute diffrence entre les paramtres utiliss par lalgorithme de la

commande vectorielle, et les paramtres rels du moteur se traduit par des erreurs dans les

valeurs de sortie du flux et du couple, ce qui entrane laugmentation des pertes dans la

machine et la diminution des performances du systme contrler [8,10].

1.4. Commande directe de couple (DTC)

Au milieu des annes 80, une stratgie de contrle direct du couple de la machine

asynchrone apparue dans la littrature sous le nom de DTC (Direct Torque Control), a t

propose par I. Takahashi et T. Noguchi [28,37] et de Depenbrock [41]. Le principe de la

commande DTC est la rgulation directe du couple de la machine, par lapplication des

diffrents vecteurs tension de londuleur, qui dtermine son tat. Les deux variables

contrles sont : le flux statorique et le couple lectromagntique qui sont habituellement

commands par des comparateurs hystrsis [25-40]. Il sagit de maintenir les grandeurs de

flux statorique et le couple lectromagntique lintrieur de ces bandes dhystrsis. La

sortie de ces rgulateurs dtermine le vecteur de tension optimal appliquer chaque instant

de commutation [30,32]. L'utilisation de ce type de rgulateurs suppose l'existence d'une

frquence de commutation dans le convertisseur variable ncessitant un pas de calcul trs

faible [40].

Figure.1. 3. Synoptique de la commande DTC classique 2-niveaux

Dans une commande DTC il est prfrable de travailler avec une frquence de calcul

leve afin de rduire les oscillations de couple provoques par les rgulateurs hystrsis

[39]. Cette condition se traduit par la ncessit de travailler avec des systmes informatiques

de haute performance afin de satisfaire aux contraintes de calcul en temps rel.


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1.4.1. Caractristiques gnrales dune commande directe de couple

La DTC est base sur la slection des vecteurs optimaux de commutation de londuleur. La commande indirecte des intensits et tensions statorique de la machine. Lobtention des flux et des courants statoriques proches des formes sinusodales. La rponse dynamique du couple de la machine est trs rapide. Lexistence des oscillations de couple qui dpend de la largeur des bandes descomparateurs hystrsis.

La frquence de commutation de londuleur dpend de lamplitude des bandesdhystrsis.

1.4.2. Avantages de la commande directe de couple [33][24]

Il n'est pas ncessaire de faire la transformation des coordonnes, car les courants et lestensions sont dans un repre li au stator.

Utilise un modle simplifie du moteur induction. Il nexiste pas de bloc qui calcule la modulation de la tension (MLI). Il nest pas ncessaire de faire un dcouplage des courants par rapport aux tensions decommande, comme dans le cas de la commande vectorielle.

Elle exige deux comparateurs hystrsis et un contrleur de vitesse du type PI, tandisdans la commande vectorielle exige 2 rgulateurs PI et un modulateur de PWM.

Il nest pas ncessaire de connatre avec une grande prcision langle de position rotorique,car seule linformation de secteur dans lequel se trouve le vecteur de flux statorique est

ncessaire.

La rponse dynamique du couple est trs rapide. Robustesse vis--vis des variations paramtriques. Possibilit dappliquer les algorithmes du systme avec des cartes d'acquisition.1.4.3. Inconvnients de la commande directe de couple [33]

Lexistence de problmes basse vitesse (influence du terme rsistif). La ncessit de disposer des estimations de flux statorique et du couple. Lexistence des oscillations de couple. La frquence de commutation nest pas constante (utilisation des rgulateurs hystrsis),ce qui conduit un contenu riche en harmoniques qui fait augmenter les pertes et amne des

bruits acoustiques et des oscillations de couple pouvant exciter des rsonances mcaniques.

Cependant, la DTC est une commande qui est base sur lestimation du flux statorique et

du couple lectromagntique. Seule la variation de la rsistance du stator, due aux

changements de la temprature ou le fonctionnement des vitesses de rotation petites,

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dgradent les performances de la commande DTC [25,28]. Cette variation peut tre rapide et

alatoire, cest pourquoi, limplantation dun estimateur de cette rsistance ou un observateur

d'tat est plus que ncessaire, afin de corriger ou destimer le flux et le couple [54-59]. Pour

rsoudre l'inconvnient prcdent, divers travaux ont t faits dans lesquels ont vis des

arrangements et des algorithmes pour considrer la variation de la rsistance statorique [55].

Dans [45] apparat un nouvel arrangement de DTC qui utilise la troisime harmonique de

la tension statorique pour estimer le flux et le couple en prsence de la variation de la

rsistance statorique, cet arrangement a donn une bonne amlioration dans le

fonctionnement, avec un dmarrage rapide et robuste du moteur vitesse rduite.

1.5. Contrle direct du flux statorique (DSC)

La stratgie de contrle direct du flux statorique (DSC : Direct self control) a tdveloppe en Allemagne par M. Depenprock en 1985 [41] et a t mise en oeuvre pour des

variateurs de grandes puissances GTO, particulirement destins aux systmes de traction de

grandes puissances avec une frquence de commutation faible. Son principe de base

correspond une version simplifie de celui du DTC car, bien que le couple est aussi rgul

par un rgulateur hystrsis simple bande, le flux statorique ne lest pas [42]. En effet, le flux

statorique a une allure trapzodale dans le temps, au lieu de se rapprocher dune sinusode

comme dans le cas du DTC.

Le principe de rglage consiste faire voluer le vecteur flux statorique selon une

trajectoire dans le plan () qui est dfinie priori comme tant un hexagone de rayon gal

au flux de rfrence en diphas [43]. Tous les avantages annoncs pour la stratgie DTC sont

aussi valables pour la stratgie DSC. Lamplitude du flux statorique nest rgule qu six

instants dans la priode fondamentale, qui correspondent aux instants o le vecteur flux

statorique change de secteur angulaire (0, 60,120.. etc.). Il y a ainsi un nombre minimal

de commutations requises pour rguler le flux statorique, et la majorit des commutations

servent imposer le couple lintrieur de sa bande dhystrsis, ce qui permet dobtenir une

frquence de commutation de londuleur minimale [43]. Ce fait a t annonc comme un

avantage majeur lorsque lon prtend viser des applications de forte puissance.

1.6. Techniques damlioration de la DTC

Au cours des annes 90, on a pu assister une acceptation plus largie des lois de

contrle direct surtout par la communaut scientifique [60-75], mais aussi par lindustrie.

Pendant les dernires annes, des nouvelles stratgies de contrle direct sont apparues. Ces

stratgies, que nous classifions de contrle direct de deuxime gnration sont aussi bases


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sur le mme principe de rgulation instantane du couple et du flux statorique et la

dtermination directe des signaux de commande de l'onduleur. Cependant, au contraire des

lois classiques, les lois de contrle direct deuxime gnration exigent une implmentation

numrique sur une plate-forme de commande hautes performances comportant, entre autres,

des microprocesseurs ou microcontrleurs numriques. Gnralement, leur algorithme de

commande prvoit lutilisation dun modle approximatif de la machine, valable pendant des

temps courts, et qui contribue la fois au choix optimis des vecteurs tensions et au calcul des

temps de leur application dans la priode dchantillonnage. Les rgulateurs hystrsis sont

souvent entirement carts, et laction de commande relative une priode dchantillonnage

donne est acheve dans le sens de minimiser ou annuler les erreurs de couple et flux en fin

de priode (commande prdictive en un seul coup).

Quelques unes prvoient lutilisation dune modulation vectorielle SVM : Space Vector

Modulation , Lune des premires stratgies de contrle direct deuxime gnration proposs

en [71-75], fait appel un modle approximatif de la machine, valable en rgime permanent,

et un module MLI vectorielle, afin de procder une rgulation prdictive du couple et du

flux.

Dans [71], les auteurs proposent un algorithme bas sur la modulation du vecteur de

l'espace SVM pour commander le couple lectromagntique du moteur induction. Cette

technique offre une frquence de commutation fixe, elle amliore la rponse dynamique et le

comportement statique de la DTC.

Les auteurs dans [72-73] visent de nouvelles techniques de la modulation bases sur le

vecteur de l'espace pour rduire le bruit acoustique, les ondulations du couple, flux, courant,

et de la vitesse pendant le rgime permanent, ainsi le flux et le couple sont estims pour

amliorer le courant et la tension du modle de lobservateur de vitesse.

En 1997 un nouveau mode de contrle direct du couple moyen appel DMTC : Direct

Mean Torque Control a t tudi initialement, par E. Flach [46]. La mthode consiste appliquer deux vecteurs tension chaque priode dchantillonnage afin dimposer un couple

moyen dans la priode gal au couple de rfrence. Le premier tant un vecteur tension actif

et le second un vecteur tension nul. Le vecteur tension actif sera appliqu la machine

pendant une partie de la priode dchantillonnage kcomt .

Une stratgie de commande trs similaire a t aussi propose par Kang [62], dans ce cas,

un seul vecteur tension actif est choisi directement partir dun tableau de localisation, en

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fonction du secteur angulaire, du signe de lerreur de couple et du flux statorique

linstant kcomt , de manire identique celle du DTC classique.

Ce vecteur actif sera ensuite appliqu la machine pendant une partie initiale de la priode, de

durek

comt , et un vecteur nul pendant la deuxime partiek

comtTe , Le calcul dek

comt se fait aussi

laide dun modle prdictif de la machine, mais dans ce cas de manire minimiser

lerreur de couple pendant la priode dchantillonnage.

Ces stratgies ont t dveloppes dans le but de minimiser londulation de couple et de

permettre une matrise de la frquence de commutation moyenne de londuleur.

Afin de remdier certains de ces inconvnients, une nouvelle version amliore de la

premire stratgie DMTC a t propose par le mme auteur [47], o il prslectionne trois

vecteurs tension actifs au lieu de deux. Pour chaque vecteur actif on calculera ensuite le temps

de commutation, kcomt et un rgulateur de flux sen chargera par la suite de slectionner le

vecteur actif dfinitif, qui sera le plus favorable du point de vue de la rgulation du flux. Ceci

doit priori rsoudre les problmes dinstabilit locale dans la rgulation du flux lors des

passages dun secteur angulaire lautre. Nanmoins, il nest pas encore assur que la drive

de couple issue du vecteur actif choisi soit de signe contraire de celui issu du vecteur nul, afin

quune solution possible existe pour le calcul de kcomt . Dautre part, la complexit de

lalgorithme est significativement augmente.

Une stratgie de commande dsigne de contrle vectoriel du couple a t propose pour

la premire fois en 1997, par CiroAttaianese [23] et Heath Hofmann [24] faisant rcemmentlobjet dune diffusion plus largie, il sagit aussi dutiliser un modle de la machine capable

de prvoir ltat lectromagntique de la machine (couple et flux) en fin de priode, afin de

procder une action de rglage prdictive.

Dans le cas prsent, le modle prdictif de la machine utilis concide avec lobservateur

de flux. Comme dans le cas des stratgies DMTC, laction de commande consiste souvent

choisir deux vecteurs tension chaque priode dchantillonnage. Le temps de commutation,

k

comt , est calcul pour annuler lerreur de couple en fin de priode et de minimiser celui du

flux. Cependant, si une modulation entre les deux vecteurs tension ne permet pas dannuler

lerreur de couple, on choisira dans ce cas un seul vecteur tension qui sera appliqu pendant

toute la priode. Ce vecteur sera celui qui minimise lerreur de couple sans dpasser la valeur

maximale du courant statorique.


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Au contraire des techniques DMTC, la ou les vecteurs tension sont choisis

exhaustivement parmi toutes les sept possibilits. Bien entendu, il sagit ici de lutilisation

dun onduleur 2-niveaux, ce qui rend cette tche ralisable. La contrainte de choisir

forcment un vecteur nul nexiste pas. Ceci doit priori liminer le risque des ondulations de

couple non matrises dans certains points de fonctionnement du plan couple vitesse, attribu

aux stratgies DMTC. En revanche, aucune contrainte nexiste dans lalgorithme permettant

de fixer des limitations au niveau des commutations entre vecteurs tension, conduisant ainsi

une matrise de la frquence de commutation.

Dans [70,77] fait proposs une mthode de contrle direct du couple de la machineasynchrone bas sur la modulation de largeur dimpulsion (PWM) avec frquence de

commutation fixe. La mthode propose contrle le couple et lamplitude flux statorique est

dveloppe en temps discret pour permettre la mise en uvre, sur des microcontrleurs ou les

cartes dacquisition (DSP). Le projet de contrle ncessite la connaissance de quelques

paramtres du moteur induction, savoir la rsistance statorique et linductance de fuite. Le

contrle direct du couple en temps discret DT_DTC : Discrete Time Direct Torque

Control, exige des mesures de tension et de courant pour calculer la fem. Les auteurs

utilisent les simulations et les essais exprimentaux pour valider la mthode propose.

Dans [66,67] les auteurs ont montr que la DTC classique prsente un nombre de vecteurs

de tension appliqu la machine est faible, ce cause des ondulations indsirables du couple,

flux et de courant. Ces travaux montrent quune amlioration des performances, peuvent tre

obtenues en utilisant un nouvel algorithme de la DTC, bas sur la sur l'application de la

modulation de l'espace vectoriel (SVM) pour des intervalles de temps fixe. De cette manire,

une modulation discrte de lespace vectoriel DSVM : Discrete space vector modulation

utilisant un comparateur de couple cinq niveaux pour produire un nombre de vecteur tension

plus lev. Des simulations numriques et des essais exprimentaux montrent une rponse

amliore de couple et de flux avec frquence de commutation fixe.

Dans les articles [28,45], les auteurs amliorent le comportement du DTC avec

l'introduction d'un signal de haute frquence et de faible amplitude dans les contrleurs de

couple et de flux, avec lesquels ils ont obtenus des bons rsultats.

En outre, [39-40][62] les auteursprsentent de nouvelles techniques de la commande DTC

avec frquence de commutation fixe. Les rsultats obtenus montrent les diffrences existantes

entre la DTC classique et ces nouvelles techniques. Dans [39], lauteur a essay de fixer la

frquence de commutation avec la variation de la bande de l'hystrsis du contrleur du

couple et de flux. Alors que dans [40], l'erreur du couple est annule par l'utilisation de deux

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contrleurs PI, dont les sorties sont compares avec un signal portant une frquence fixe, qui

permet de dterminer ou limiter la valeur relle de la frquence de commutation de la DTC.

Larticle [64] propose un arrangement simple de commande prdictive du couple et du

flux pour diminuer l'ondulation du couple et amliorer les dformations de flux dans les

basses vitesses de la (DTC) du moteur induction. Le concept des vecteurs virtuels est

prsent pour produire une frquence commutation fixe et plus leve de londuleur PWM.

En outre, la mthode MRAS :Model reference adaptive system employe, dans le modle

modifi du flux rotorique est applique pour estimer la vitesse de rotation du moteur

asynchrone, ce qui peut raliser une commande avec une grande gamme de vitesse.

Concernant l'arrangement de la DTC base sur londuleur deux niveaux, beaucoup de

travaux existent pour amliorer le comportement du DTC dans la gamme de faible puissance.

Dans [37] apparat une nouvelle mthode de DTC base sur deux onduleurs 2 niveaux

thyristors (GTO). Selon le plan de l'investissement et de la stratgie de contrle, la frquence

de commutation est rduite 60% compare au DTC classique dans les mmes conditions

d'exploitation. Mais cette technique propose prsente linconvnient de laugmentation du

prix et la taille du systme, ainsi que laugmentation des pertes.

Dans [77], les auteurs visent lapplication d'un convertisseur en matriciel la DTCils ont

propos une nouvelle mthode de contrle pour les convertisseurs matriciels qui permet, sous

la contrainte de l'unit facteur de puissance d'entre, la gnration des vecteurs de tension

requis pour mettre en application la commande directe de couple (DTC) des machines

asynchrones. L'utilisation de cette mthode de contrle montre un bon arrangement au DTC

classique, et la combinaison des avantages des convertisseurs en matrice avec celles de la

DTC classique, pour obtenir une commande avec des performances leves pour des grandes

puissances.

Dans [78], lauteur a employ de nouvelles stratgies pour la commande directe du

couple, pour le contrle des machines asynchrones capables de minimiser les missions

lectromagntiques de conduit.

Dans larticle [79], a propose une mthode probabiliste pour tudier le contenu

dharmonique de la tension dans la DTC du moteur asynchrone. Le vecteur tension la sortie

l'onduleur est simul avec un processus alatoire de sept valeurs possibles. Puis, la fonction

d'auto corrlation des vecteurs tension est calcule et sa densit du spectre de puissance est

obtenue, ainsi que l'effet des bandes hystrsis, paramtres de la machine et la tension

continue d'onduleur sur le spectre de la tension du moteur a t tudi. Lauteur prsente des


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rsultats de simulation et des essais exprimentaux pour confirmer la validit de

la mthode propose.

Dans [80] les auteurs se mettent employer une stratgie de commande par mode glissant

Sliding mode en temps discretde sorte que le couple et le flux soient robustes contre la

variation des paramtres de la machine. Les contrleurs fournissent les tensions de rfrence

(Vs,Vs) pour les appliquer au moteur induction et aucun courant contrleur nest utilis.

Toutefois, contrairement la plupart des techniques de mode de glissant, le vecteur tension de

rfrence est calcul par un systme vecteur PWM et une frquence de dcoupage fixe est

utilise. Des Simulation et rsultats exprimentaux sont prsents pour montrer l'efficacit de

la stratgie propose.

Dans [81], un arrangement de la commande directe de couple du moteur asynchrone est

propos ; il utilise une sonde simple de courant insr ct continu de l'onduleur. Le but de

cette proposition est de dvelopper une commande prix rduit mais avec un rendement lev

des moteurs induction. L'arrangement exploite un algorithme simple et robuste pour

reconstruire les courants statoriques qui permet destimer le flux et le couple du moteur.

L'algorithme fonctionne en deux tapes : premirement , il prvoit les courants statoriques

d'un modle du moteur puis il ajuste la prvision sur la base du courant mesur ct C.C.les

rsultats exprimentaux sont prsents pour dmontrer la capacit du systme reproduire la

performance de la DTC classique.

Dans [82,87] un onduleur trois niveaux est appliqu au DTC, pour la rduction des

ondulations du couple, mais l'inconvnient de cet arrangement est le cot lev. Elles sont trs

utiles particulirement dans les commandes de grande puissance.

Dans larticle [88], la commande directe du couple (DTC) dun moteur induction 5

phases a t dvelopp par les auteurs. Dans cette nouvelle commande par DTC, le couple a

une rponse rapide avec faibles ondulations du flux statorique. Le nombre des vecteurs

tensions lev de cette stratgie (32 vecteurs), permet doffrir une grande souplesse dans le

choix des tats de commutation de londuleur, donc le contrle de flux et du couple sont plus

prcis. Les rsultats de simulation et exprimentations montrent clairement de meilleures

performances de la DTC, qui suggrent lapplication pratique de la DTC des moteurs

polyphass.

Dans [89], les auteurs appliquent la DTC sur une machine asynchrone triphase double

stator (dual star induction motor), o le stator de la machine comporte deux ensembles de

trois enroulements dcale spatialement de 30 degrs lectriques. Les rsultats exprimentaux

montrent que cette stratgie porte plusieurs avantages par rapport la DTC classique tel que,

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frquence de commutation constante, un bonne rponse au transitoire et au rgime permanent

et faible distorsion du couple et flux statorique.

Dans [96-97] et [103-106], les auteurs proposent une technique pour amliorer les

performances dynamiques de la commande directe du couple en utilisant les techniques

intelligentes. Elle est nomme commande floue, neuronale directe du couple ; elle utilise des

contrleurs logique floue ou rseaux de neurones pour remplacer la table vrit et les

comparateurs hystrsis, afin de gnrer le vecteur tension qui permet de conduire le flux et

le couple vers leurs rfrences dune manire optimale.

Une nouvelle stratgie de commande est prsente dans [107,112] ; elle est appele

commande neuro-floue directe du couple. Cette commande utilise un systme dinfrence

neuro-flou adaptatif (ANFIS) qui associe la logique floue et les rseaux de neurones artificiels

afin dvaluer le vecteur tension de rfrence requis pour conduire le flux et le couple vers

leurs valeurs de rfrence durant une priode de temps fixe [109-110]. Lvaluation du

vecteur tension est ainsi synthtise en utilisant la modulation vectorielle. Cette stratgie de

commande permet lobtention dune frquence de commutation fixe alors quelle est variable

dans le cas de la commande DTC classique.

1.7. Rsum de ltat de lart des stratgies de commande pour les machines lectriques

Commande scalaire (Scalaire control):l'une des premires commandes pour les MAS,

Ne sintresse qu l'amplitude de la variable contrle et non sa phase. Nest valable quen rgime permanent. Pour des consignes de vitesse le flux oscille avec des grandes amplitudes. Reste inadapte lorsque lon veut raliser un positionnement de la machine.

Commande vectorielle (FOC : Field Oriented Control ):Introduite par Blaschke en 1972

Consiste ramener le comportement de la MAS, celui du MCC, en effectuantun dcouplage entre le flux et le couple. Cependant elle:

Ncessite la mise en place d1 capteur mcanique sur larbre de la MAS Reste sensible vis--vis les variations paramtriques notamment la rsistancerotorique, induisant une perte de dcouplage.

Commande directe de couple (DTC: Direct Torque Control).

Propose au milieu des annes 80 par I.Takahashi

Elle est robuste contre les variations paramtriques de la machine. Sa structure est simple et ne ncessite aucun capteur mcanique. La dynamique rapide de couple et du flux.

Cependant cette commande prsente ces inconvenants :

La frquence de commutation variable (entrane des bruits audibles) Les ondulations du couple et de flux autour des bandes hystrsis. En basses vitesses, le flux est difficile contrler.


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Contrle direct du flux statorique (DSC: Direct Self Control):

Dvelopp par M. Depenprock en 1985.Correspond une version simplifie de la DTC.

Elle permet davoir une frquence de commutation minimale. Le Couple est bien contrl Destin aux systmes de traction de grandes puissances. Les flux et les courants ne sont pas sinusodaux.

DTC par Modulation vectorielle (SVM: Space vector Modulation):

Base sur le calcul prdictif du vecteur tension de rfrence appliqu en utilisant le

modle approximatif de la machine.

La frquence de commutation est constante. La diminution des ondulations de couple et du courant. La DTC_SVM est plus complique que la DTC classique.

Contrle direct du couple moyen (DMTC :Direct Mean Torque Control):

Propos par E.Flach et H.Hofmann en 1997. Consiste appliquer deux vecteurs tension chaque

priode dchantillonnage afin dimposer un couple moyen dans la priode gal au couple de

rfrence.

Chaque bras de londuleur commute seulement sur 2 secteurs angulaire ce qui permet de Matriser la frquence de commutation. Minimiser les ondulations du couple. La structure de La DMTC est plus complique.

Contrle Vectoriel du couple (VTC : Vectorial Torque Control):

Propos pour la 1ere fois en 1997, par C.Attaianese et H.Hofmann. laction de commande

consiste souvent choisir deux vecteurs tension actives chaque priode dchantillonnage,

ce qui permet

Dannuler lerreur de couple et minimiser celle de flux Le choix du vecteur nul nexiste pas, ce qui permet dliminer le risque

dondulations de couple non matrises.

La frquence de commutation nest pas matrise.DTC par modulation discrte despace(DSVM:Discrete Space vector Modulation):

Nombre des vecteurs tensions gnrs est plus lev, en utilisant decomparateur hystrsis 5 niveaux.

La rponse du couple est bien amliore. Frquence de commutation est constante. Cette technique est moins complique que la DTC_SVM.

DTC applique aux onduleurs Muliti-niveaux (Three-Level Inverter ) Prsente un nombre des vecteurs tensions levs, Ce qui permet de Rduire les ondulations du couple. Minimiser la frquence de commutation. Cependant le cot cet arrangement est lev. Limite pour les commandes de grande puissance.

DTC des Machines Asynchrone Multi-phases (Polyphase Induction Motors):

Bonne rponse de flux et du couple dans les rgimes transitoire et permanent. Le nombre des vecteurs tensions lev permet doffrir une grande souplesse

dans le choix des tats de commutation de londuleur.

Le contrle de flux et du couple sont plus prcis. La grande taille de la table que celle de la DTC classique.

CHAPITRE I ..

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DTC par les techniques intelligentes (Artificiel Neural Network, Fuzzy Logic, Neuro-Fuzzy)

Ces techniques ont un succs considrable dans les domaines de commande et

didentification des systmes non linaires; pour la DTC ces technique elles permettent de.

Matriser la frquence de commutation. Avoir des rponses rapides de flux et du couple avec moins de distorsions. La structure interne est plus complique.

1.8. Points de Notre contribution

A partir de cette synthse bibliographique de ces techniques, les travaux dans cette thse sont

directement orients vers

La synthse de la majorit des techniques avec mme cahier de charge Remplacer les comparateurs hystrsis et la table par des contrleurs intelligents Amliorer la DTC par logique floue (minimisation des rgles floues jusqu 30 rgles) Combiner la DTC neuro-flou avec la modulation vectorielle. Dvelopper une approche qui combine les RNF avec la SVM pour les onduleurs 3N. Une comparaison complte entre ces mthodes. Valider nos rsultats avec dautres travaux exprimentaux publisCes points de contrebutions seront dveloppes dans les chapitres suivants.


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MODELISATION ET COMMANDE

VECTORIELLE DE LA MACHINE

ASYNCHRONE

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2. MODELISATION ET COMMANDE VECTORIELLE DE LA MACHINE

ASYNCHRONE

2.1. Introduction

La machine asynchrone, de par sa simplicit de fabrication et d'entretien, a la faveur des

industriels depuis son invention par N. Tesla la fin du 19eme

sicle quand il dcouvrit les

champs magntiques tournants engendrs par un systme de courants polyphass [2].

Le moteur asynchrone a un intrt majeur par rapport aux autres types de moteur par

ses qualits de robustesse, le faible cot de fabrication et d'entretien [3,4,10]. Pour que le

moteur asynchrone soit utilisable dans des rgimes de vitesse variable [12,16], il doit tre

command par un processus externe qui permette d'ajuster au mieux la tension d'alimentation

de manire rpondre aux variations de consigne de vitesse et de couple de charge [3].

Les principes de la commande vectorielle flux orient ont t labors, des 1972,

par F, Balachke [9]. Historiquement il sagit de la premire mthode de contrle vectoriel

dveloppe pour les machines alternatives et notamment synchrones [5,20]. Puis les principes

de la commande ont t adapts la machine asynchrone. Cette mthode base sur le

contrle de ltat magntique et du couple de la machine est aujourdhui la mthode utilise

dans lindustrie, que ce soit dans les domaines de la traction ferroviaire, de la machine outil

ou de la robotique [10]. Ce type de contrle est ralis dans le rfrentiel tournant.

La premire partie de ce premier chapitre sera ddie la modlisation de la machine

induction triphase et londuleur de tension. Elle prsente une importance essentielle car il lui

sera associ une commande vectorielle rpondant aux exigences actuelles dentranement des

moteurs asynchrones. Cette partie est trs importante car cest partir de ce modle que nous

allons simuler les dynamiques de notre systme.

Dans la deuxime partie, on exposera les principes de la commande vectorielle des

machines asynchrones en se limitant plus particulirement la commande indirecte flux

rotorique orient appele IFOC. On dcrira les principales structures ncessaires pour le

contrle des courants, le choix du rfrentiel et le contrle de flux. Une technique de

dcouplage est propose suivie par des rsultats de simulation.

Modlisation et commande vectorielle de la machine asynchrone..

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32

2.2. Description du moteur asynchrone cage

La machine asynchrone, appele aussi machine induction, est constitue dune carcasse

intgrant le circuit ferromagntique statorique constitu dencoches o lenroulement

statorique polyphas est bobin. Au centre de ce circuit magntique, qui se prsente comme

un cylindre creux, spar par un entrefer se trouve le circuit magntique rotorique [6,12].

Celui-ci est galement constitu dencoches o sont logs des barreaux en aluminium coul

ou en cuivre [2,6]. Ces barreaux sont court-circuits chaque extrmit laide danneaux.

Larbre moteur est solidaire du circuit rotorique et des paliers lui sont poss afin quil puisse

tourner. La figure.2.1 reprsente ces diffrents lments [12].

Le fait que le moteur asynchrone ne soit constitu que dun seul bobinage polyphas au

stator et dun seul bobinage massif en court circuit au rotor lui confre des proprits trs

intressantes en terme de cot de fabrication et dentretien, de robustesse et de standardisation

[2,3].Nanmoins, cette simplicit structurelle entrane une forte complexit fonctionnelle lie

de nombreux problmes[12].

Figure2.1 Moteur asynchrone (catalogue Leroy-Somer)[12]

CHAPITRE II ..

20

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33

N Dsignation N Dsignation

Carter et stator bobin

Rotor

Flasque ct accouplement

Flasque ct ventilation

VentilateurCapot de ventilateur

Tige d'assemblage

Ecrou de tige d'assemblage

Clavette de bout d'arbre

Rondelle de bout d'arbre

Vis de serrage rondelle

Plaque signaltique

Vis fixation capot

Roulement ct accouplement

Rondelle lastique

Roulement ct ventilateur

Bote bornesVis fixation bote bornes

Presses-toupe

Plaque support Presses-toupe

Planchette bornes

Vis de fixations planchettes bornes

Vis bornes de masse

Barrettes de connexion

Tableau 2.1 Les diffrents lments de la machine asynchrone [12]

2.3. Problmes poss par le moteur asynchrone

Dans le moteur asynchrone, le courant statorique sert la fois gnrer le flux et le

couple. Le dcouplage naturel de la machine courant continu n'existe plus. D'autre part, on

ne peut connatre les variables internes du rotor cage (Ir par exemple) qu' travers le stator

[11]. L'inaccessibilit du rotor nous amnera modifier l'quation vectorielle rotorique pour

exprimer les grandeurs rotoriques travers leurs actions sur le stator, [2,6]. Cependant sa

simplicit structurelle cache une grande complexit fonctionnelle due labsence dinducteur

indpendant, aux non linarits, la difficult didentification et aux variations paramtrique

qui sont essentiellement consquences du rotor cage [22]. Ceci se traduit par de fortes

contraintes sur le contrle du systme donc une complexit importante de la commande.

2.4. Hypothses simplificatrices

La modlisation de Park est construite partir des quations lectriques de la machine.

Les hypothses gnralement admises dans le modle de la machine asynchrone sont [3,6] :

La parfaite symtrie de la machine. Labsence de saturation et de pertes dans le circuit magntique (lhystrsis et les

courants de Foucault sont ngligeables)

La rpartition spatiale sinusodale des champs magntique le long de lentrefer. Lquivalence du rotor en court-circuit un enroulement triphas mont en toile. Lalimentation est ralise par un systme de tensions triphases symtriques. On nglige leffet de peau. Ladditivit de flux. La constance des inductances propres. La constance des rsistances statoriques et rotoriques.


21

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34

La loi de variation sinusodale des inductances mutuelle entre les enroulementsstatoriques et rotoriques en fonction de langle de leurs axes magntiques.

2.5. Modlisation de la machine asynchrone

Une bonne commande en boucle ferme doit sappuyer sur un modle mathmatique du

processus rguler ou asservir. Dans notre application, nous utiliserons un modle de la

machine asynchrone qui dcrit le comportement dynamique des diffrentes grandeurs

concernes par le systme de contrle (couple lectromagntique, flux magntique, courants,

tensions, etc.) [5,6,20].

On suppose la machine triphase au stator et au rotor et, pour simplifier les quations,

bipolaires.

Les quations de la machine asynchrone cage dcureuil (rotor en court-circuit),scrivent alors :

2.5.1. Equations lectriques

Stator

+=

+=

+=

dt

dIRV

dt

dIRV

dt

dIRV

sc

scssc

sbsbssb

sasassa

(2.1)

Rotor

+==

+==

+==

dt

dIRV

dt

dIRV

dt

dIRV

rcrcrrc

rbrbrrb

rararra

0

0

0

(2.2)

Avec :

Vsa ,Vsb ,Vsc, les trois tensions statoriques. Isa , Isb , Isc ; Ira , Irb , Irc , les trois courants statoriques et rotoriques. sa ,sb ,sc ; ra ,rb ,rc les flux travers les trois phases du stator et du rotor.

Les quations (2.1). et (2.2) peuvent scrire sous forme matricielle :

Stator: [ ] [ ][ ][ ]dt

dIRV ssss

+= (2.3)

Rotor : [ ] [ ][ ][ ]dt

dIRV rrrs

+== 0 (2.4)

CHAPITRE II ..

22

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35

2.5.2. Equations magntiques

Les relations entre flux et courants scrivent comme suit :

+++++=

+++++=

+++++=

rcsrrbsrrasrscssbssassa

rcsrrbsrrasrscssbssassb

rcsrrbsrrasrscssbssassa

IMIMIMILIMIM

IMIMIMIMILIM

IMIMIMIMIMIL

(2.5)

+++++=

+++++=

+++++=

scrssbrssarsscssbrsarra

scrssbrssarsscrrbrsarrb

scrssbrssarsrcrrbrrarra

IMIMIMILIMIM

IMIMIMIMILIM

IMIMIMIMIMIL

(2.6)

Sous forme matricielle on a :

[ ] [ ][ ] [ ][ ]rsrssss IMIL += (2.7) [ ] [ ][ ] [ ][ ]srsrrrr IMIL += (2.8)

Avec :

[ ]

=

sss

sss

sss

ss

LMM

MLM

MML

L (2.9), [ ]

=

rrr

rrr

rrr

rr

LMM

MLM

MML

L (2.10)

Si on dsigne par lcart angulaire compt dans le sens de rotation entre les phases du

stator et du rotor, et M la mutuelle quand les axes des deux enroulements considrs

concident[3].

[ ]

=

)cos()3

2cos()

3

4cos(

)3

4cos()cos()

3

2cos(

)3

2

cos()3

4

cos()cos(

MMsr (2.11)

Avec : [ ] [ ]Trssr MM =

Telle que :Ls, Lr: Inductance propre dune phase statorique et rotorique.Msr, Mrs : Inductance mutuelle entre phases statoriques et entre phases rotoriques.

En dsignant parLsrla mutuelle inductance entre phases statoriques et rotoriques et parMsrsa

valeur lorsque leur axes concident.

2.5.3. Modle de Park.

Pour remplacer ces quations diffrentielles coefficients fonctions du temps par des

quations diffrentielles plus simples et coefficients constants, on fait appel la

transformation la plus utilise pour les machines asynchrones dite transformation de Park


23

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36

[4-6]. Ainsi pour un systme de trois courants rels Ia, Ib, Ic, la transformation de Park dangle

gnre deux composantes (id, iq). Les deux systmes sont lis par:

=

c

b

a

q

d

II

I

I

I

)3

4sin()

3

2sin()sin(

)

3

4cos()

3

2cos()cos(

3

2

(2.12)Ou inversement :

=

q

d

c

b

a

I

I

I

I

I

)3

4sin()

3

4cos(

)3

2sin()

3

2cos(

)sin()cos(

3

2

(2.13)

En faisant une transformation de Park dangle s (ou s est langle lectrique entre laxe d

et le stator) pour les grandeurs statoriques, on obtient les grandeurs statoriques Vsd, Vsq,Isd,

Isq relatives deux enroulements fictifs Sd et Sq tournant la vitesse angulairedt

d s par

rapport au stator.

En faisant une transformation de Park dangle r(ou rest langle lectrique entre le rotor

et le stator) pour les grandeurs rotoriques, on obtient les courants rotoriques Ird,Irqdans les

deux enroulements fictifs Rd et Rq tournant la vitesse angulairedt

d r par rapport au rotor.

Figure 2.2. Dfinition des angles entre les diffrents repres quadratiques

On cherche videment ce que Rd et Rq tournent la mme vitesse que Sd et Sq, pour cela il

faut que : s =r+sl (2.14)

O slest langle lectrique entre laxe d et le rotor.

CHAPITRE II ..

24

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37

Parmi les diverses faons de remplir cette condition et ainsi permettre un autopilotage

ralisant lorientation du repre, trois cas sont particulirement intressants

Repre li au stator :

===dt

sldetdt

sdsl0 (2.15)

Repre li au rotor : 0sl === dtsldet

dtsd

(2.16)

Repre li au champ tournant:

===sdt

sldetsdt

sdsl (2.17)

Os est la pulsation statorique est la pulsation mcaniquesl est la pulsation de glissement

2.5.4. Modle exprim dans le repre (d,q) li au champ tournant

Dans le dernier cas o le repre est li au champ tournant, les quations liant les

composantes des tensions celles des courants et des flux scrivent pour le stator et le rotor :

+

+

=

sq

sd

s

s

sq

sd

sq

sd

s

s

sq

sd

dt

dI

I

R

R

V

V

0

0 (2.18)

+

+

=

rq

rd

ls

ls

rq

rd

rq

rd

r

r

sq

rd

dt

dI

I

R

R

V

V

0

0 (2.19)

Les flux totaux travers les quatre bobines fictives ayant pour valeurs :

+=

+=

rqsrsqssq

rdsrsdssd

IMIL

IMIL

(2.20)

+=

+=

sqsrrqrrq

sdsrrdrrd

IMIL

IMIL

(2.21)

A partir de lquation (2- 21), on obtient lquation suivante :

=

=

r

sqsrrqrd

r

sdsrrdrd

L

IMI

L

IMI

(2.22)

Remplaons les expressions des courantsIrdetIrq de lquation (2.22) par leurs valeurs

dans les quations (2-20), on obtient alors :

+=

+=

rq

r

srsq

r

sr

ssq

rdr

srsd

r

srssd

L

MI

L

ML

L

MI

L

ML

)(

)(

2

2

(2.23)


25

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38

En drivant ces dernires en fonction du temps, on trouve :

+=

+=

dtL

M

dt

dI

L

MLdt

d

dt

d

L

M

dt

dI

L

ML

dt

d

rq

r

srsq

r

srs

sq

rd

r

srsd

r

srs

sd

)(

)(

2

2

(2.24)

Pour le rotor partir des quations (2.19) on obtient :

=

+=

rdslrqrrq

rqslrdrrd

IRdt

d

IRdt

d

(2.25)

En remplaantIrdetIrq par leurs expressions obtenu en (2.22), les expressions suivantes sontobtenues :

=

+=

rdslrq

r

rsq

r

rsrrq

rqslrdr

rsd

r

rsrrd

L

RI

L

RM

dt

d

L

RI

L

RM

dt

d

(2.26)

Onobtient finalement partir des quations (2.18), (2.23), (2.24) et (2.26) :

+

+=

+++

+=

rd

rs

srrq

rs

rsrsdssq

rs

rsr

s

ssq

s

sq

rq

rs

srrd

rs

rsrsqssd

rs

rsr

s

ssd

s

sd

LL

M

LL

RMII

LL

RM

L

RV

Ldt

dI

LL

M

LL

RMII

LL

RM

L

RV

Ldt

dI

22

2

22

2

1

1

(2.27)

Onpeut crire les quations (2.26) et (2.27) sous forme dquations dtat telles que [4]:

U

0

0sqV

sdV

B

SL

SL

X

rq

rdsq

Isd

I

A

rTsl

rTsr

M

slr

Tr

Tsr

MrTsrMsrMrTrTs

srM

rT

srMs

rT

rT

X

rq

.rd

.sq

.

I

sd.

I

+

+

+

=

00

00

.10

0.

1

10

10

1111111

1111111

.

(2.28)

Avec :

BUAXdt

dX+==X

rRrL

rT = ,sRsL

sT =: Constante de temps rotorique et statorique.

CHAPITRE II ..

26

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39

rLsL

M sr2

1 = : Coefficient de dispersion.

Le couple lectromagntique peut alors sexprimer comme suit :

)( sdrqsqrdr

sr

e IIL

pM

C = (2.29)rre

r fCCdt

dJ =

(2.30)Ce modle il sera utilis pour simuler la commande vectorielle indirecte (IFOC).

2.5.5. Modle exprim dans le repre (d,q) li au statorLe passage de Park (d,q) celle Concordia (, ) en faisant une rotation de langle :

=

q

d

X

X

X

X

)cos()sin(

)sin()cos(

(2.31)

On dfinit galement la transformation inverse :

=

X

X

X

X

q

d

)cos()sin(

)sin()cos((2.32)

Cela correspond aux changements de repre dans un contexte de modlisation de

lensemble convertisseur statique - machine asynchrone; en vue de ltude des lois de

commande bases sur le rglage des grandeurs statoriques de la machine, il parat plus

judicieux le choix dun repre diphas, aux axes orthogonaux (,) fixes au stator, ayant laxe selon la phase a du systme dalimentation. Ce repre (,), dans le quel ss 0.t == , est

un cas particulier du repre tournant (d,q) et sera dsormais retenu pour la suite de

ltude[5,6]. Le systme dquations qui modlise la machine asynchrone cage dans le

repre fixe devient alors:

+=

+=

dt

dIRV

dt

dIRV

ssss

ssss

(2.33)

+=

++=

rrrr

rr

rr

dt

dIR

dt

dIR

0

0 (2.34)

Etant donn que le repre (,) est li au stator donc leurs tensions sont relles et ne

dpendent pas de la position () du rotor, il vient que :

=

sc

sb

sa

s

s

V

V

V

V

V

2

3

2

30

2

1

2

11

3

2

(2.35)

Les courants rotoriques peuvent sexprimer en fonction du flux statorique et du courant

statorique, donns par (2.36):


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40

=

=

rs

sssr

sr

sssr

M

ILI

M

ILI

)(

)(

(2.36)

Le systme dquations (2.37) tablit les relations entre les flux rotoriques, statoriques et defuites:

=

=

)(

)(

ssssr

rr

ssssr

rr

ILM

L

ILM

L

(2.37)

En les drivant par rapport au temps, on obtient:

=

=

)(

)(

dt

IL

dt

d

M

L

dt

d

dtdIL

dtd

ML

dtd

ss

s

sr

rr

ss

s

sr

rr

(2.38)

En remplaant les expressions des quations (2.36-38) dans les quations (2.33-34), on

obtient lquation dtat de la machine asynchrone dans un repre li au stator :

U

0

0s

Vs

V

B

sL

sL

X

s

s

sI

sI

A

rT

1

rT

srM

rT

1

rTsr

Mr

Tr

Ls

Lsr

M

rL

sL

srM

rT

rL

sL

srM

sT

0

rL

sLsr

M

r

Tr

Ls

L sr

M

r

Tr

Ls

L sr

M

sT

X

s.s

.s

.I

s.

I

+

+

+

=

00

00

.

10

0.

1

0

0

......

211

....0..

211

.

(2.39)

Ce dernier modle dtat sera utiliser dans les simulations de la commande directe du couple.

2.6. Modlisation des onduleurs de tension.

Londuleur de tension deux niveaux, est constitu de trois bras indpendants,

comprenant chacun deux interrupteurs. Chaque interrupteur comprend un transistor IGBT et

dune diode monte en antiparallle [26,27]. La tension fournie par un convertisseur DC-AC,

varie instantanment de zro la valeur de la tension du bus continu et vice-versa, ce qui

rend le convertisseur statique non linaire du point de vue instantan [50]. Pour la dfinitionde lois de commande linaires des systmes aliments par ces convertisseurs statiques, un

CHAPITRE II ..

28

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41

bloc de commande MLI est gnralement utilis [50,27]. Il gnre les signaux de commande

des semi-conducteurs de puissance afin de produire une tension de sortie dont la valeur

moyenne sur une priode dchantillonnage, est proportionnelle au rapport cyclique. Dans ce

cas lensemble module MLI convertisseur statique peut tre modlis par des valeurs

moyennes.

Afin de prendre en compte leffet du retard li la priode de modulation la modlisation

se fait l'aide d'une fonction de transfert du type premier ordre (filtre passe-bas)[50].

2.6.1. Vecteurs tension et squences de niveaux de phase dun onduleur 2-Niveaux.

Le vecteur Vsest directement calcul partir des tats des 6 interrupteurs de puissance de

l'onduleur et de la tension continue E. L'tat, ouvert ou ferm, des interrupteurs de puissance

est reprsent par 3 grandeurs boolennes de commande notes Sj(j = a, b, c), Figure2.3 [25].Pour le brasj, lorsque Sj= '1', l'interrupteur du haut est ferm et l'interrupteur du bas ouvert.

Inversement lorsque Sj= '0', l'interrupteur du haut est ouvert et l'interrupteur du bas ferm.

Les combinaisons des 3 grandeurs (Sa,Sb,Sc) permettent de gnrer, par rapport au systme

d'axes (d,q), 8 positions du vecteur tension Vsdont 2 correspondent au vecteur nul [3,6,27] :

(Sa,Sb,Sc) = (111) ou (Sa,Sb,Sc) = (000), voir figure 2.3.

Figure. 2.3. Onduleur de tension 2-niveaux alimentant une charge triphase

Les tensions phase point neutre fictive de la charge peuvent scrire, en triphas, sous la

forme du systme dquations (2.40) [25].

=

=

=

)2(3

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