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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUP

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEURE ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE MOULOUD MAMMERI DE TIZI-OUZOU Faculté de Génie Electrique et de l’Informatique Département d’électrotechnique Mémoire de Magister en électrotechnique Option : Entraînements électriques Présenté par : BOUCIF SMAIL Thème Modélisation des Modes de Démarrages Sans à-coups et Freinage des Entraînements Electriques à Moteur Asynchrone Devant les membres du jury : HADDAD Salah Professeur Université de Tizi-Ouzou Président CHAIBI Rachid Professeur Université de Tizi-Ouzou Rapporteur MAIDI Ahmed Professeur Université de Tizi-Ouzou Examinateur BOUTORA Youcef Maître de conférences A Université de Tizi-Ouzou Examinateur ZAOUIA Mustapha Maître de conférences A Université de Tizi-Ouzou Examinateur Soutenu le 17 Octobre 2017 ii Résumé Cette étude s’intéresse principalement au comportement d’un moteur asynchrone à cage, au démarrage et au freinage utilisé dans les entraînements électriques, destinés à un fonctionnement en service intermittent. Les contraintes de couple et les fortes intensités du courant d’appel en régime transitoire, causé par ce mode de fonctionnement ne sont pas sans conséquences sur le moteur lui- même et les organes connexes de l’entrainement électrique. Notre objectif est donc de chercher une manière efficace tant sur le plan performance que sur le plan économique, de réduire les à-coups au démarrage ainsi que les forts courants d’appel et permettre un freinage par inversion de phases, sans avoir recourt à isoler physiquement le moteur de son alimentation après arrêt. C’est sur la base d’une étude comparative, entre un démarrage et freinage classiques et sans à-coups, que seront identifiées les principales caractéristiques et les avantages majeures des convertisseurs statiques, dont l’usage est devenu incontournable dans la quasi-totalité des entraînements électriques actuels. Mots Clefs Entraînements électriques, modélisation, démarrage sans à-coups, freinage, moteur asynchrone. Abstract This study focuses primarily on the behavior of a Cage asynchronous motor, at starting and braking used in electrical drives for intermittent service. The torque constraints and the high intensities of the inrush current in transient mode, caused by this operation mode are not without consequences on the motor itself and the related components of the electric drive. Our purpose is therefore to look for an efficient way, both in terms of performance and economy, to reduce the load shock at starting and strong currents and to allow braking by phase inversion without having to isolate physically the engine from power supply after shutdown. It is on the basis of a comparative study, between a conventional and soft starting and braking, that the main characteristics will be identified and the major advantages of static converters, in which the use has become unavoidable in almost all of current electrical drives. Keywords Electric drive, Modeling, Soft starting, breaking, Asynchronous motor iv Remerciements Le travail présenté dans ce mémoire a été préparé dans le cadre des activités du groupe de recherche de la post graduation Entrainements Electriques (Laboratoire de génie électrique LGE), orientées principalement vers l’aspect commande linéaire et non linéaire des machines électriques destinées à l’entrainement à vitesse variable. Je tiens tout d’abord à remercier mon directeur de mémoire Monsieur Rachid CHAIBI. Professeur à l’université Mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou, responsable de la post graduation Entraînements Electriques. Je le remercie énormément d’avoir organisé le concours de la post graduation pour l’année 2013/2014, d’avoir choisi les meilleurs enseignants pour l’année théorique, de nous avoir enseigné, de m’avoir fait confiance et de m’avoir confié ce thème. Je le remercie pour ses encouragements, sa présence et ses orientations. Je remercie également Monsieur Nedjar. Professeur au département d’électrotechnique pour tout ce qu’il nous a appris en physique des matériaux. Monsieur CHALLAL. Maître de conférences. Pour tout ce qu’il m’a appris en électronique de puissance en quatrième année, ensuite durant l’année théorique de la post graduation. Monsieur Bouzar. Professeur à la faculté des sciences. Pour le module de physique des semi-conducteurs. Monsieur Belkhir. Docteur au département de physique. Pour le module de calcul du champ magnétique. Monsieur Mechri. Maître de conférences à l’université Houari Boumediene de Bab-Ezzouar. Pour le module de réseau électrique. Je remercie les membres du jury : - Monsieur HADDAD Salah, Professeur à l’université Mouloud Mammeri de Tizi-ouzou, pour m’avoir fait l’honneur de présider le jury et pour l’intérêt qu’il a porté aux travaux réalisés. - Monsieur MAIDI Ahmed, Professeur à l’université Mouloud Mammeri de Tizi-ouzou, pour tout ce qu’il nous a appris en asservissement et d’avoir accepté de faire partie des membres du jury. - BOUTORA Youcef, Maître de conférences classe A à l’université Mouloud Mammeri de Tizi-ouzou, d’avoir accepté d’être membre du jury. Merci pour l’intérêt qu’il a porté à nos travaux. - ZAOUIA Mustapha, Maître de conférences classe A à l’université Mouloud Mammeri de Tizi-ouzou, pour l’honneur qu’il nous a fait en participant à notre jury de mémoire. Je tiens aussi à remercier Monsieur NAHI de m’avoir d’abord enseigné en quatrième année ingéniorat et puis pour sa disponibilité, ses conseils et son soutien durant les travaux réalisés au laboratoire d’électronique de puissance. Je remercie également Mademoiselle KACHNOURA pour ses conseils et son soutien. Je remercie tous mes enseignants qui ont participé à ma formation du primaire au baccalauréat, ceux des deux années de tronc commun et ceux de la faculté de génie-électrique. Je remercie Monsieur RabahAllah de m’avoir parrainé en cinquième année. Un grand merci à tous les étudiants de la post graduation avec qui j’ai passé ces trois dernières années. Merci à Farhat, Idir, Sofiane, Nouredine et sans oublier Bachir ! Merci également à tous les anciens qui poursuivent actuellement leur doctorat, sans oublier tous mes amis. Enfin, je dédicace ce travail à mon cher père, ma mère, ma sœur, mes frères et leurs familles, qui m’ont soutenu. Je les remercie du fond du cœur. vi Table des matières Résumé ________________________________________________________________________ ii Remerciements _________________________________________________________________ iv Table des matières ______________________________________________________________ vi Table des Figures ________________________________________________________________ x Liste des Tableaux ______________________________________________________________ xiii Introduction générale _____________________________________________________________ 1 CHAPITRE 1 Etude Bibliographique _______________________________________________ 4 1.1 Introduction ____________________________________________________________________ 4 1.2 Etude bibliographique des modes de démarrage sans à-coups des moteurs asynchrones ______ 5 1.3 Etude bibliographique des modes de freinage des moteurs asynchrones __________________ 16 1.4 Contexte de travail ______________________________________________________________ 23 1.5 Conclusion ____________________________________________________________________ 24 CHAPITRE 2 Etude fonctionnelle du Convertisseur statique ___________________________ 26 2.1 Introduction ___________________________________________________________________ 26 2.2 Description du convertisseur______________________________________________________ 27 2.2.1 Hypothèses : ________________________________________________________________________ 27 2.2.2 Fonctionnement en mode démarrage ____________________________________________________ 27 2.2.3 Fonctionnement en mode freinage ______________________________________________________ 31 2.3 Algorithme de simulation ________________________________________________________ 32 2.3.1 Principe de la commande ______________________________________________________________ 32 2.3.2 Apparition d’un courant _______________________________________________________________ 34 2.3.3 Disparition d’un courant ______________________________________________________________ 35 2.3.4 Enchainement disparition –apparition d’un courant ________________________________________ 35 2.3.5 Choix du pas de calcul ________________________________________________________________ 37 2.3.6 Actions associées aux places du graphe de fonctionnement __________________________________ 37 2.3.7 Cycle de calcul ______________________________________________________________________ 37 2.4 Implémentation sur calculateur numérique _________________________________________ 39 2.4.1 Choix du langage pour la simulation _____________________________________________________ 39 2.4.2 Validation du modèle _________________________________________________________________ 39 2.5 Conclusion ____________________________________________________________________ 43 CHAPITRE 3 Modélisation du Moteur asynchrone en régime transitoire _________________ 45 3.1 Introduction ___________________________________________________________________ 45 3.2 Hypothèses ____________________________________________________________________ 46 3.3 Equations électriques ___________________________________________________________ 47 3.3.1 Au stator ___________________________________________________________________________ 47 3.3.2 Au rotor ___________________________________________________________________________ 47 3.4 Equations magnétiques __________________________________________________________ 47 3.4.1 Au stator ___________________________________________________________________________ 47 3.4.2 Au rotor ___________________________________________________________________________ 48 vii 3.5 Transformation de Park modifiée __________________________________________________ 48 3.5.1 Les courants ________________________________________________________________________ 49 3.5.2 Les tensions ________________________________________________________________________ 50 3.5.3 Les flux ____________________________________________________________________________ 50 3.5.4 Choix du référentiel __________________________________________________________________ 50 3.6 Equations magnétiques dans les axes d et q _________________________________________ 51 3.6.1 Au stator ___________________________________________________________________________ 51 3.6.2 Au rotor ___________________________________________________________________________ 52 3.7 Equations électriques dans les axes d et q ___________________________________________ 53 3.7.1 Au stator ___________________________________________________________________________ 53 3.7.2 Au rotor ___________________________________________________________________________ 53 3.8 Expression de la puissance dans les axes d et q _______________________________________ 56 3.9 Expression du couple électromagnétique ___________________________________________ 57 3.10 Equation de la dynamique du moteur ______________________________________________ 57 3.11 Représentation par variables d’Etat ________________________________________________ 57 3.12 Validation du modèle du moteur __________________________________________________ 60 3.13 Identification des paramètres du moteur ___________________________________________ 62 3.13.1 Modélisation du moteur en régime permanent (Schéma équivalent monophasé) _______________ 62 3.13.2 Calcul des paramètres du schéma équivalent ____________________________________________ 64 3.13.3 Calcul des paramètres du modèle mathématique ________________________________________ 66 3.14 Conclusion ____________________________________________________________________ 67 CHAPITRE 4 Modélisation du système complet Convertisseur statique - Moteur __________ 69 4.1 Introduction ___________________________________________________________________ 69 4.2 Mise en équation du système _____________________________________________________ 70 4.2.1 Alimentation en triphasé ______________________________________________________________ 70 4.2.2 Alimentation en biphasé ______________________________________________________________ 70 4.2.3 Sans alimentation ____________________________________________________________________ 71 4.3 Représentation par variables d’Etat ________________________________________________ 72 4.3.1 Connexion en mode triphasé ___________________________________________________________ 72 4.3.2 Connexion en mode biphasé ___________________________________________________________ 72 4.3.3 Sans alimentation ____________________________________________________________________ 76 4.4 Simulation du système complet Gradateur – Moteur asynchrone ________________________ 77 4.5 Validation du modèle ___________________________________________________________ 77 4.6 Conclusion ____________________________________________________________________ 79 CHAPITRE 5 Etude comparative démarrage & freinage direct – démarrage sans à-coups & freinage _________________________________________________________________ 81 5.1 Introduction ___________________________________________________________________ 81 5.2 Origine des couples pulsatoires ___________________________________________________ 82 5.3 Alimentation sans gradateur ______________________________________________________ 84 5.3.1 Au démarrage _______________________________________________________________________ 84 5.3.2 Au freinage _________________________________________________________________________ 85 5.4 Alimentation via le gradateur - Amorçage constant ___________________________________ 85 5.4.1 Etude paramétrique au démarrage ______________________________________________________ 86 5.4.2 Etude paramétrique au freinage ________________________________________________________ 87 viii 5.4.3 Interprétation des résultats ____________________________________________________________ 89 uploads/Geographie/ boucif-smail-pdf.pdf