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République Tunisienne Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche

République Tunisienne Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université de Tunis El Manar Ecole Nationale d’Ingénieurs de Tunis COMMANDE DES MACHINES ELECTRIQUES Ilhem SLAMA-BELKHODJA Professeur au Département Génie Electrique Septembre 2019 1ﺗوﻧس اﻟﺑﻠﻔدﯾر . اﻟﮭﺎﺗف : 71878700 216 +اﻟﻔﺎﻛس : 21671872729 + 1002 اﻟﻣدرﺳﺔ اﻟوطﻧﯾﺔ ﻟﻠﻣﮭﻧدﺳﯾن ﺑﺗوﻧس . ص ب 37 Ecole Nationale d'Ingénieurs de Tunis. BP 37, 1002 Tunis Belvédère. Tél : +216.71 874. Fax : +216 1 872.729 Commande de machines électriques Année universitaire 2019-2020 I.Slama-Belkhodja 2 Avant propos Ce module porte sur la commande des convertisseurs de puissance dans des systèmes à vitesse variable. Cette commande vise le contrôle du couple et de la vitesse d’une motorisation électrique telle celles qui se trouvent dans les systèmes de levage, de ventilation, de traction électrique, etc., ou encore le contrôle des puissances actives et réactives dans des systèmes de génération électrique, tels que les systèmes à énergie renouvelable, connectés au réseau ou fonctionnant en mode isolé. Le module s'adresse aux élèves ingénieurs de dernière année du cycle ingénieur de l’Ecole Nationale d’Ingénieurs de Tunis, en Génie Électrique, option Systèmes Electriques et aux étudiants en mastère et en formation doctorale. Il nécessite des connaissances de base en électronique de puissance, en machines électriques et en automatique. Pour les élèves ingénieurs de l’ENIT, il correspond à un volume horaire de 21h de cours intégré et est soutenu par un Bureau d'Etudes de 18h heures, intitulé "Commande des convertisseurs de puissance". Buts et objectifs spécifiques  Comprendre le contrôle des convertisseurs statiques pour des entraînements électriques à vitesse variable et des systèmes à énergie renouvelable  Synthétiser et dimensionner de tels contrôles  Analyser les performances de tels systèmes Commande de machines électriques Année universitaire 2019-2020 I.Slama-Belkhodja 3 Sommaire Avant propos ................................................................................................................. 2 Sommaire ...................................................................................................................... 3 Concepts de base ........................................................................................................... 5 1.1 Structure générale d’un système de puissance ................................................................ 5 1.2 Problématiques associées ................................................................................................... 6 1.3 Structure des systèmes de commande .............................................................................. 6 1.4 Considérations mécaniques ............................................................................................... 8 1.5 Considérations magnétiques : Nécessité de contrôle du flux ....................................... 11 2. Commande des moteurs à courant continu ........................................................ 13 2.1 Objectifs spécifiques ........................................................................................................ 13 2.2 Modélisation et analyse de la dynamique en boucle ouverte ....................................... 13 2.2.1 Mise en équations .......................................................................................................... 13 2.2.2 Modélisation de la MCC ................................................................................................ 15 2.2.3 CAO pour l’analyse des dynamiques et la synthèse des commandes ............................ 15 2.2.4 Analyse de la dynamique en boucle ouverte .................................................................. 18 2.3 Hacheurs pour la commande des MCC ......................................................................... 22 2.3.1 Formes d'onde des hacheurs étudiés .............................................................................. 22 2.3.2 Modèles analytiques moyens des convertisseurs DC-DC étudiés ................................. 24 2.3.3 Modèles analytiques instantanées des convertisseurs DC-DC étudiés .......................... 27 2.3.4 De la modélisation à la stratégie de contrôle en cascade de la MCC ............................. 28 2.4 Contrôle du courant d’une MCC alimentée par un hacheur....................................... 28 2.4.1 Principe de la régulation du courant avec un régulateur PI ........................................... 28 2.4.2 Régulateur PI avec anti-saturation: de la synthèse à l'implantation numérique ............. 29 2.4.3 Contrôle du courant à l’aide d’un contrôle par fourchette ............................................. 37 2.5 Contrôle de la vitesse ....................................................................................................... 38 2.5.1 Régulateur de vitesse ..................................................................................................... 38 2.5.2 Commande sans capteur de vitesse –reconstitution de la vitesse .................................. 39 2.6 Résumé .............................................................................................................................. 42 3. Modélisation des onduleurs de tensions triphasés 2 niveaux ............................ 43 3.1 Transformation de coordonnées ..................................................................................... 43 3.1.1 Transformation abc- ................................................................................................. 43 3.1.2 Transformation abc-dq ................................................................................................... 47 3.2 Equation d’état d'une charge RL dans un repère dq quelconque ............................... 50 3.3 Conservation de puissance, conservation d’amplitude ................................................. 52 3.4 Modélisation de l'onduleur MLI triphasé 2 niveaux .................................................... 57 3.4.1 Onduleur MLI : Formes d’ondes et analyse spectrale ................................................... 57 3.4.2 Modélisation des convertisseurs statiques MLI ............................................................. 63 3.4.3 Vecteur Spatial de la tension délivrée par l’onduleur de tension ................................... 67 3.5 Résumé .............................................................................................................................. 70 Commande de machines électriques Année universitaire 2019-2020 I.Slama-Belkhodja 4 4. Commande des machines asynchrones .............................................................. 71 4.1 Modèle de commande de la machine asynchrone ......................................................... 71 4.1.1 Principe de fonctionnement d’une machine asynchrone ................................................ 71 4.1.2 Schéma équivalent de régime permanent ....................................................................... 72 4.1.3 Procédés de réglage de la vitesse d’une MAS ............................................................... 72 4.1.4 Rendement du moteur alimenté à fréquence variable .................................................... 74 4.1.5 Stratégies de contrôle du flux d'une machine asynchrone ............................................. 74 4.1.6 Modèle général dans un repère diphasé ......................................................................... 76 4.1 Commande par loi "V/f" d'une machine à cage d'écureuil ......................................... 78 4.1.1 Modèle de commande pour la loi V/f ............................................................................ 78 4.2 Contrôle Vectoriel à flux rotorique orienté ................................................................... 81 4.2.1 Estimateurs ..................................................................................................................... 81 4.2.2 Contrôles ........................................................................................................................ 83 4.3 Contrôle Direct de Couple ............................................................................................... 89 4.3.1 Principe .......................................................................................................................... 89 4.3.2 Régulation de flux .......................................................................................................... 89 4.3.3 Evolution du flux ........................................................................................................... 90 4.3.4 Evolution du couple ....................................................................................................... 95 4.3.5 Réglage simultané du couple et du flux ......................................................................... 97 4.4 Résumé ............................................................................................................................ 100 5. Commande des machines synchrones .............................................................. 101 5.1 Rappels sur les machines synchrones ........................................................................... 101 5.2 Principes généraux de réglage ...................................................................................... 101 5.2.1 Généralités ................................................................................................................... 101 5.2.2 Stratégies de contrôle ................................................................................................... 103 5.3 Etude des machines brushless ....................................................................................... 105 5.3.1 Commande scalaire en courant ................................................................................... 106 5.3.2 Commande vectorielle ................................................................................................. 107 Bibliographie ............................................................................................................ 109 ANNEXE : Réglage de la vitesse d’une MCC en BO ............................................. 111 ANNEXE : Formes d’ondes en régime permanent dans une MAS alimentée par un onduleur 180° ........................................................................................................... 113 Commande de machines électriques Année universitaire 2019-2020 I.Slama-Belkhodja 5 Concepts de base 1.1 Structure générale d’un système de puissance Un système de puissance se compose généralement de plusieurs éléments pouvant être regroupés en 3 étages: l’étage de puissance, celui de commande et l’étage d’interfaces (Figure 1.1) Figure 1. 1 Etages constituants un système de puissance (CS : Convertisseur Statique). Le convertisseur statique de puissance d'énergie électrique ou plus simplement le convertisseur statique (CS) est l'élément clé de la chaîne de puissance pour pouvoir assurer la. Il peut être constitué d'un seul convertisseur ou d'une association de plusieurs convertisseurs, selon la nature des systèmes de puissance qu'il interface. Les systèmes de puissance diffèrent selon les applications: dans une motorisation classique (Figure 1.2.a), SP1 correspond au réseau électrique et SP2 à l’ensemble constitué par le moteur électrique et sa charge mécanique (pompe, ventilateur, essoreuse, ou autre). Dans un système éolien à vitesse variable, (Figure 1.2.b), SP1 est la turbine éolienne et SP2 le réseau électrique. Dans ce dernier cas, la machine électrique fonctionne exclusivement en mode génératrice. (a) Motorisation électrique (b) Génération éolienne Figure 1. 2 Exemples de systèmes de puissance Commande de machines électriques Année universitaire 2019-2020 I.Slama-Belkhodja 6 1.2 Problématiques associées Les problématiques associées à ces systèmes sont diverses mais les plus importantes restent l’efficacité énergétique et la qualité de l’énergie électrique. La qualité d’énergie concerne essentiellement les systèmes connectés au réseau: Quel est leur impact sur le réseau et quel est l’impact de la qualité de l’énergie électrique du réseau sur eux. L’efficacité énergétique passe par la conception même du système, par le choix et le dimensionnement de ses éléments, mais aussi par la synthèse des contrôles associés. Ces contrôles doivent permettre de répondre à des exigences de plus en plus sévères non seulement de performances statiques et dynamiques mais aussi en termes de robustesse, de fiabilité et de sûreté de fonctionnement. Ainsi, des structures de puissance mais aussi des stratégies de commande tolérantes aux défauts, se développement de plus en plus permettant la continuité de service en présence de défaut. Par ailleurs, certaines applications spécifiques introduisent des contraintes supplémentaires telles que la minimisation du nombre de capteurs ou l’encombrement du système. 1.3 Structure des systèmes de commande La commande des systèmes de puissance concernés par ce cours se ramène à la commande du convertisseur statique de la chaîne de puissance. Le convertisseur statique dit à commande « MLI » ou Modulation de Largeur d’Impulsions est aujourd’hui le plus répandu. La structure de sa commande pour ce type de convertisseur est donnée dans la figure 1.3 pour le cas d’un système de puissance continu avec un convertisseur DC/DC: dans le cas d'un système en boucle ouverte sans aucune régulation (Figure 1.3.a), avec la régulation de courant d'une machine électrique d’entraînement à courant continu, MCC, (Figure 1.3.b), avec une régulation cascade courant vitesse de cette machine (Figure 1.3.c). (a) Etage MLI (b) Etage MLI & Régulation de Courant (c) Etage MLI & contrôle en cascade Figure 1. 3 Stratégies de contrôle de convertisseurs MLI alimentés en tension Référence de  Commande de machines électriques Année universitaire 2019-2020 I.Slama-Belkhodja 7 L’étage MLI permet, à partir d’une référence de tension, de générer les signaux binaires pour les interrupteurs de puissance du convertisseur, d’une manière telle que la tension obtenue aux bornes du convertisseur soit l’image de cette tension de référence. La boucle de régulation de courant permet de contrôler en courant ce convertisseur. Ce contrôle est nécessaire d’une part pour protéger en courant les interrupteurs de puissance du convertisseur et d’un autre côté pour contrôler les puissances transitées par le convertisseur statique. Généralement cette boucle comprend un terme de compensation pour annuler l’effet de la composante non linéaire de l’expression de la tension. Une boucle externe uploads/Industriel/ commande-des-machines-electriques-poly-i-s-belkhodja-chapitre-1-a-4.pdf