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République Algérienne Démocratique et Populaire École Normale Supérieurs d’Ense

République Algérienne Démocratique et Populaire École Normale Supérieurs d’Enseignement Technique -ORAN- Département de Génie Électrique Comparaison et synthèses des procédés de commandes vectorielles Magister : Analyse et Commande des Machines Électrique Monographie de commande des entrainements dynamiques E-mail : allalbouzid@live.fr Mr BOUZID Allal El Moubarek Sous la direction de : Mr.M. ZERIKAT Année universitaire 2008/2009 Sommaire Introduction 05 Chapitre I Modélisation de la machine asynchrone I.1 Description du moteur asynchrone à cage 08 I.2 Avantages du moteur asynchrone 09 I.3 Problèmes posés par le moteur asynchrone 09 I.4 Hypothèses simplificatrices 09 I.5 Généralités du contrôle vectoriel à flux orienté 10 I.6 Notion de vecteur tournant 10 I.7 Transformation de Clarke 11 I.8 Transformation de Park 13 I.9 Modèle du moteur asynchrone 13 I.9.1 Équations de base 14 I.9.2 Modèle exprimé dans le repère (α,β) lié au stator 14 I.9.3 Modèle exprimé dans le repère (d,q) lié au champ tournant 17 I.10 Expression du couple électromagnétique instantanée 19 Chapitre II Commande vectorielle à flux rotorique orienté II.1 Commande vectorielle 21 II.2 Principe de la commande vectorielle 22 II.2.1 Découplage entrée-sortie 24 II.2.1.1 Découplage par compensation 24 II.2.1.2 Problèmes posées par le découplage 26 II.3 Schéma de principe de la commande vectorielle à flux orienté 26 I I.3.1 Calcul de φr 27 II.3.2 Calcul de ωs et θs 27 II.4 Commande vectorielle directe 28 II.4.1 Calcul des régulateurs 30 II.4.1.1 Régulateur de flux 30 II.4.1.2 Régulateur de couple 31 II.4.1.3 Régulateur de vitesse 32 II.5. Commande vectorielle indirecte IRFO 34 II.5.1 Le régulateur de vitesse 36 II.5.2 Le régulateur de courant iqs 36 II.5.3 Le régulateur de courant ids 36 II.5.4 Les transformations directes et inverses 37 II.5.5 Le calcul de l’angle de la transformation de Park θs 37 II-6 Comparaison entre CV directe et CV indirecte 38 II-7 Avantage et inconvénient de la commande vecotrielle 39 Conclusion 40 Chapitre III simulation de la commande vectorielle III- 1 Présentation de l’environnement MATLAB / SIMULINKTM 42 III-2 Résultats de simulation 42 III-2-1 Démarrage directe du moteur 42 III-2-2 Simulation avec Commande vectorielle direct CVD 44 III-2-3 Simulation avec Commande vectorielle indirect CVI 49 Conclusion 53 Conclusion générale 55 Bibliographie 57 Annexe 59 Introduction Introduction ENSET Oran Page 5 La machine asynchrone, de par sa simplicité de conception et d'entretien, a la faveur des industriels depuis son invention par Nikola Tesla à la fin du siècle dernier, quand il découvrit les champs magnétiques tournants engendrés par un système de courants polyphasés. Cette simplicité s'accompagne toutefois d'une grande complexité physique, liée aux interactions électromagnétiques entre le stator et le rotor. D'autre part, à la différence du moteur à courant continu où il suffit de faire varier la tension d'alimentation de l'induit pour faire varier la vitesse, le moteur asynchrone nécessite l'utilisation de courants alternatifs de fréquence variable. L'un des principaux blocages était constitué par l'onduleur devant fonctionner en commutation forcée. La machine asynchrone a donc longtemps été utilisée essentiellement à vitesse constante, faute de pouvoir maîtriser convenablement la dynamique de l'ensemble moteur-charge. L'apparition des thyristors GTO (Gate Turn Off) et, par la suite, des transistors IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) a permis le développement d'onduleurs à modulation d'impulsion performants, fiables et proposés à un coût non prohibitif. Le problème de l'alimentation étant pratiquement réglé, les commandes vectorielles à flux orienté et de contrôle de couple ont pu être implantées dans des conditions satisfaisantes. Toutefois, la commande de la machine asynchrone reste complexe par les développements théoriques mis en œuvre et la difficulté à identifier certains paramètres en temps réel (observateurs en boucle fermé). L'objet de ce travail est d'illustrer le développement, la synthèse et la comparaison des procèdes de commande vectorielle à flux rotorique orienté dans un environnement MATLAB/ SIMULINK. Introduction ENSET Oran Page 6 Le travail est structuré de la manière suivante : Dans le chapitre 1, nous proposons une modélisation classique de la machine asynchrone en utilisant les transformations de Clarke et de Park. Le choix de la représentation complexe permet une simplification de l'écriture. Dans le chapitre 2, nous abordons l'étude d'une commande à flux rotorique orienté. Une technique de découplage est proposée. Nous évoquons ses limitations, liées à celles de l'estimateur de flux utilisé. Puis on ferra la comparaison entre les différentes procèdes de commande vectorielle ainsi que les avantages et les inconvénients. Dans le chapitre 3, nous implantons les résultats de commandes proposées au chapitre 2. Nous avons utilisé, pour décrire le modèle du moteur, une fonction système (S-function). Les résultats obtenus en poursuite et en régulation valident dans un premier temps la commande. Il existe, essentiellement, deux méthodes de commande à flux orienté :  La première, appelée directe et repose sur une commande de flux en boucle fermée.  La seconde, dite méthode indirecte, caractérisée par une régulation du flux en boucle ouverte. Chapitre I Modélisation de la machine Asynchrone Chapitre I Modélisation de la machine as ENSET Oran I.1 Description du moteur asynchrone à cage Un moteur asynchrone à cage se présente (Figure entourant le circuit magnétique, ferromagnétique, statorique qui accueille dans des encoches l'enroulement statorique polyphasé (généralement triphasé) bobiné en fil de cuivre isolé (1). A l'intérieur de ce creux, séparé par un entrefer, tourne le dans ses encoches les barreaux de la cage court-circuités à chaque extrémité circuit magnétique rotorique est traversé par l'arbre qui les flasques (5), (6) fixées au carter. Figure I Le moteur asynchrone utilisé est donc caractérisé :  par la présence d'un seul bobinage polyphasé alimenté par une source extérieure au stator,  par la présence d'un "bobinage" massif en court Chapitre I Modélisation de la machine as .1 Description du moteur asynchrone à cage Un moteur asynchrone à cage se présente (Figure I.1) sous la forme d'un carter (2) le circuit magnétique, ferromagnétique, statorique qui accueille dans des statorique polyphasé (généralement triphasé) bobiné en fil de cuivre isolé (1). A l'intérieur de ce circuit magnétique, qui se présente comme un cylindre , séparé par un entrefer, tourne le circuit magnétique rotorique (3) qui accueille dans ses encoches les barreaux de la cage rotorique, en aluminium coulé ou en cuivre, extrémité par des anneaux réalisés dans le même matériau. Le ircuit magnétique rotorique est traversé par l'arbre qui repose sur des paliers montés dans les flasques (5), (6) fixées au carter. I.1 Moteur asynchrone à cage Leroy-Somer Le moteur asynchrone utilisé est donc caractérisé : d'un seul bobinage polyphasé alimenté par une source extérieure au stator, par la présence d'un "bobinage" massif en court-circuit au rotor. Chapitre I Modélisation de la machine asynchrone Page 8 .1) sous la forme d'un carter (2) le circuit magnétique, ferromagnétique, statorique qui accueille dans des statorique polyphasé (généralement triphasé) bobiné en fil de circuit magnétique, qui se présente comme un cylindre circuit magnétique rotorique (3) qui accueille coulé ou en cuivre, réalisés dans le même matériau. Le repose sur des paliers montés dans d'un seul bobinage polyphasé alimenté par une source Chapitre I Modélisation de la machine asynchrone ENSET Oran Page 9 I.2 Avantages du moteur asynchrone Le machine asynchrone à cage est le moteur le plus répandu dans l'industrie : il est robuste, fiable, économique. Il est également apprécié pour sa très bonne standardisation. I.3 Problèmes posés par le moteur asynchrone Dans le moteur asynchrone, le courant statorique sert à la fois à générer le flux et le couple. Le découplage naturel de la machine à courant continu n'existe plus. D'autre part, on ne peut connaître les variables internes du rotor à cage (Ir par exemple) qu'à travers le stator. L'inaccessibilité du rotor nous amènera à modifier l'équation vectorielle rotorique pour exprimer les grandeurs rotoriques à travers leurs actions sur le stator. La simplicité structurelle cache donc une grande complexité fonctionnelle due aux caractéristiques qui viennent d'être évoquées mais également aux non-linéarités, à la difficulté d'identification et aux variations des paramètres (R,. en particulier, jusqu'à 50%). I.4 Hypothèses simplificatrices La modélisation s'appuie sur un certain nombre d'hypothèses :  parfaite symétrie,  assimilation de la cage à un bobinage en court-circuit de même nombre de phases que le bobinage statorique (c'est à dire 3),  répartition sinusoïdale, le long de l'entrefer, des champs magnétiques de chaque bobinage,  absence de saturation dans le circuit magnétique. Chapitre I Modélisation de la machine asynchrone ENSET Oran Page 10 Figure I.2 Machine asynchrone modélisée - Définition des repères stator et rotor I.5 Généralités du contrôle vectoriel à flux orienté L'objectif de ce type de contrôle est d'aboutir à un modèle simple de la machine asynchrone qui rende compte de la commande séparée de la grandeur Flux' et de la grandeur Courant I, générateur de couple. Il s'agira donc de retrouver la quadrature entre I et φ, naturellement découplés pour une machine à courant continu (courant d'excitation — producteur de flux -, et courant d'induit — producteur de couple -). La difficulté va résider justement dans le fait que, pour une machine à induction, il est difficile de distinguer le courant producteur de couple du courant producteur de flux, fortement couplés. La méthode du flux orienté consiste uploads/Industriel/ controle-vectoriel-a-flux-oriente.pdf