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Etat de l’art des différentes stratégies de commande et d’estimation de la MASD

Etat de l’art des différentes stratégies de commande et d’estimation de la MASDE Chapitre I chapitre I Chapitre I Etat de l’art des différentes stratégies de commande et d’estimation de la MASDE I.1. Introduction : En forte puissance, les machines à courant alternatif alimentées par des convertisseurs statiques trouvent de plus en plus d'applications. Mais les contraintes que subissent les composants de puissance limitent la fréquence de commutation et donc les performances. Pour permettre l'utilisation de composants à fréquence de commutation plus élevée, il faut segmenter la puissance. Pour ce faire, une des solutions consiste à utiliser des machines à grand nombre de phases ou des machines multi-étoile. Un exemple de ce type de structure est la machine asynchrone à double étoile [1]. Ces machines polyphasées constituent un potentiel évident en raison de leur fiabilité et de leur possibilité de fonctionnement en marche dégradée. Malgré tous ces avantages, sa commande reste assez compliquée comparativement à celle de la machine à courant continu, car son modèle mathématique est non linéaire et fortement couplé [10]. En général, la commande et l'estimation des machines alternatives en fonctionnement à vitesse variable sont plus complexes que les machines à courant continu. Les raisons principales sont qu'ils ont une dynamique plus complexe et qu'ils demandent plus de calculs compliqués. La commande vectoriel, la commande par mode glissant sont les algorithmes de commande les plus connus dans la littérature sur les moteurs à courant alternatif à vitesse variable. La plus populaire méthode de la commande vectorielle est connue sous le nom de l’orientation de flux rotorique (en anglais : Field Oriented Control (FOC)), proposé au début des années 1970 par Hasse et Blaschke [11] [12]. Et une autre méthode la commande par mode glissant qui a été développée en Union soviétique il y a plus de 30 ans, fait partie de ces méthodes de commandes robustes. Elle possède des avantages incontestables pour les systèmes mal identifiés ou à paramètres variables. La commande par mode glissant (en anglais : Sliding mode Control (SMC)) est un type particulier de commande à structure variable (VSC). Les premiers concepts du SMC sont apparus dans la littérature russe (l'ex-Union soviétique) dans les années 1950 et développés par Emelyanov dans les années 1960 [16]. Plus tard, Utkin a écrit un résumé en anglais des articles sur le contrôle du mode glissant [17]. En raison des difficultés de mise en œuvre de la grande vitesse, cette approche n'a pas reçu l'attention qu'elle méritait avant les années 1970. 5 Etat de l’art des différentes stratégies de commande et d’estimation de la MASDE Chapitre I chapitre I Ensuite, la théorie du contrôle en mode glissant a été largement diffusée dans les différents domaines au début des années 1980. De plus, les applications de commande sans capteur peuvent améliorer le système de commande en réduisant le nombre de capteurs utilisés, en réduisant le coût d'installation et de câblage et en augmentant la fiabilité du variateur. Ainsi, les observateurs restent un domaine important dans l'ingénierie des procédés. De nombreuses recherches considérables ont été proposées pour l'estimation de la vitesse du rotor et du flux des entraînements électriques tels que le système adaptatif du modèle de référence (MRAS) [18], les observateurs adaptatifs en ordre réduit et complet [19] et le filtre de Kalman [20]. De plus, la conception des observateurs basée sur la méthodologie du mode glissant a fait l'objet d'une importante discussion dans de nombreux travaux [21]. Bien que les avantages des algorithmes pour la commande et l'observation des machines, ils peuvent obtenir plus de performance en atteignant le maximum d'efficacité par la minimisation des pertes. Ces stratégies sont principalement liées au choix du niveau de flux proposé en fonction de la valeur de charge souhaitée. En résumant tout ce qui précède, ce chapitre présente un état de l'art des différentes stratégies de commande et d’observation pour l'entraînement électrique des machines multiphasées, une brève revue théorique sur les commandes conventionnels et les techniques de commande non linéaire qui peuvent être utilisées pour l'amélioration est donnée en premier lieu. Ensuite, ce chapitre présente un résumé sur la commande sans capteur et les différents types d'estimations utilisés pour l'estimation des machines électriques. I.2. Caractéristiques des machines multiphasée : Suivant le nombre de phases qu’on peut avoir dans le stator (les phases statoriques), on discerne deux types des machines multiphasées ; celles dont le nombre de phases sont multiples de trois ou non-multiple de trois. On peut avoir plusieurs configurations possibles dans une machine à nombre de phases donné suivant le décalage à angulaireαentre deux bobines adjacentes, c’est-à-dire le décalage entre les étoiles, par exemple une machine à double étoile (6 phases) de α=0 a des caractéristiques différentes de celle d’une machine à double étoile à α=30 [22]. Pour prendre en compte de ces différences dans la machine et pouvoir différencier entre les configurations possibles, un autre terme est introduit : Le nombre de phases équivalent est défini comme suit : qα=180 α (1.1) 6 Etat de l’art des différentes stratégies de commande et d’estimation de la MASDE Chapitre I chapitre I I.2.1. Machines multiphasées de type 1 : Ce sont les machines dont le nombre de phases statoriques « q » est un multiple entier de trois, de sorte que l’on puisse les grouper en « η » plusieurs étoiles. q=3η(η=1,2,3….) (1.2) Or pour un nombre donné de phases, il peut y avoir plusieurs configurations possibles suivant le décalage angulaire α entre deux bobines adjacentes (qui correspond d'ailleurs au décalage entre étoiles). On appelle aussi ce genre de machines “machines multi-étoiles”. Parmi les machines les plus connues de cette configuration, la machine asynchrone à double étoile (MASDE). Elle est robuste, fiable et répond à de meilleurs critères de performances par rapport à la machine ordinaire (simple étoile) avec un rendement très élevé. Pour différencier les configurations possibles, on peut introduire un "nombre équivalent de phases", noté (qα), dont la définition est la suivante : qα=π/α (1.3) I.2.2. Machine multiphasée de type 2 : Ce sont des machines possédant un nombre de phases statoriques qui contrairement au type précédent n’est pas un multiple de trois. Les machines multiples de type 2, dont le nombre de phases statoriques (q’) impaires : q '=2η+1(η=1,2,3….) (1.4) Pour le décalage angulaire α entre deux bobines adjacentes, les phases sont donc décalées régulièrement de 2α = 2π / (q’) Alors on a : q '=qα ' =π /α (1.5) I.3. Applications des machines multiphasées : Les machines multiphasées sont utilisées beaucoup plus dans les applications industrielles de forte puissance. Par exemple, la machine à induction pour propulsion électrique de navire à 15 phases comportant 3 étoiles (chaque étoile de 5phases) de puissance 20MW réalisée par la société Alstom, la machine asynchrone de six phases de puissance 25MW pour un turbocompresseur, la machine de cinq-phases à aimants permanents de puissance 5kW alimentée par des courants de forme carrée (BDCM) développée pour la propulsion d'un véhicule électrique. De plus, parmi les applications, on cite les pompes, les ventilateurs, les compresseurs, les moulins des compresseurs, les moulins du ciment, etc. 7 Etat de l’art des différentes stratégies de commande et d’estimation de la MASDE Chapitre I chapitre I Une autre application concerne l’utilisation des machines multiphasées dans les systèmes de production de l’énergie éolienne : la machine double étoile génère de l’énergie à travers deux systèmes triphasés connectés à un transformateur pour adapter les tensions des six phases aux tensions des réseaux. [23]. Figure I.1 : Exemple d’application d’une machine asynchrone à 6 phases [23]. I.4. Description de la machine asynchrone à double étoile : La machine asynchrone à double étoile est un cas particulier des machines multiphasées qui comporte deux stators fixes déphasés entre eux d'un angle électrique α et un rotor mobile (Figure I.2). Parmi les angles les plus utilisés on trouve le plus souvent α = 30°. Chaque stator de la machine est composé de trois enroulements identiques à p paires de pôles. Leurs axes sont décalés entre eux d'un angle électrique égal 2π/3 dans l'espace. Ils sont logés dans des encoches du circuit magnétique. Le rotor est constitué de manière à obtenir trois enroulements ayant un nombre de pôles identique à celui du stator. La structure électrique du rotor est de type cage d'écureuil (barre conductrice en aluminium aux tôles ferromagnétiques). Ce choix permet d'obtenir des machines robuste, facile d'emploi et nécessitant un entretien limité [24]. La MASDE est représentée par deux enroulements statoriques As1, Bs1, Cs1 et As2, Bs2, Cs2 qui sont déphasés d’un angle α entre eux, et trois phases rotoriques : Ar, Br, Cr. 8 Etat de l’art des différentes stratégies de commande et d’estimation de la MASDE Chapitre I chapitre I Figure I.2 : Représentation des enroulements statoriques et rotorique de la MASDE [24]. Les courants triphasés de fréquence fs alimentant l’enroulement 1 du stator de la machine, donnent naissance à un champ qui tourne à vitesse synchronisme Ns, tel que : Ns=f s p [tr/s] (1.6) Avec : p : le nombre de paires de pôles. Les mêmes courants triphasés, uploads/Industriel/ 2-chapitre-1-l-x27-etat-d-x27-art.pdf