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UNIVERSITÉ DU QUÉBEC MÉMOIRE PRÉSENTÉ À L'UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À TROIS-RIVIÈRES

UNIVERSITÉ DU QUÉBEC MÉMOIRE PRÉSENTÉ À L'UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À TROIS-RIVIÈRES COMME EXIGENCE PARTIELLE DE LA MAÎTRISE EN GÉNIE ÉLECTRIQUE PAR BOUBACAR HOUSSEINI PROTOTYPAGE RAPIDE A BASE DE FPGA D'UN ALGORITHME DE CONTROLE AVANCÉ POUR LE MOTEUR A INDUCTION DÉCEMBRE 2010 Université du Québec à Trois-Rivières Service de la bibliothèque Avertissement L’auteur de ce mémoire ou de cette thèse a autorisé l’Université du Québec à Trois-Rivières à diffuser, à des fins non lucratives, une copie de son mémoire ou de sa thèse. Cette diffusion n’entraîne pas une renonciation de la part de l’auteur à ses droits de propriété intellectuelle, incluant le droit d’auteur, sur ce mémoire ou cette thèse. Notamment, la reproduction ou la publication de la totalité ou d’une partie importante de ce mémoire ou de cette thèse requiert son autorisation. REMERCIEMENT REMERCIEMENTS Je tiens à exprimer ma profonde gratitude et mes sincères remerciements à mon directeur de recherche, M. Rachid BEGUENANE, professeur au Collège militaire royal du Canada (RMC). Je tiens à le remercier tout particulièrement pour m'avoir fait bénéficié de son savoir, son expérience, son soutien moral et financier, mais aussi de la bonne volonté et de la patience dont il a fait preuve tout au long de la réalisation de ce travail. Mes chaleureux remerciements vont également à l'endroit de mon co-directeur de recherche M. Adel Omar DAHMANE, de même que M. Ahmed CHERITI, professeurs à l'Université du Québec à Trois-Rivières (UQTR), pour l'aide et le soutien inestimables qu'ils m'ont apporté. J'en suis très reconnaissant. Je remercie l'ensemble des enseignants de l'Université du Québec à Trois-Rivières (UQTR) et aussi mes collègues étudiants, M. Stéphane SIMARD et M. Jean Gabriel MAILLOUX pour m'avoir fait partager leurs expériences. Je remercie et dédie ce travail à tous les membres de ma famille, spécialement à mes parents et ma femme pour leurs patiences, leurs encouragements incessants, et leurs supports morals durant mes longues années d'études. Enfin, je le dédie à mes amis et à toute personne qui m'a aidé de prés ou de loin tout le long de mon cheminement. TABLE DES MATIÈRES TABLE DES MAT/ERES REMERCIEMENTS .............................................................................................................. i TABLE DES MATIERES .................................................................................................... ii INDEX DES FIGURES ......................................................................................................... v INDEX DES TABLEAUX ................................................................................................. viii LISTE DES SYMBOLES .................................................................................................... ix CHAPITRE 1 : INTRODUCTION ...................................................................................... 1 1.1 PROBLEMATIQUE .............................................................. ..................................... 1 1.2 OBJECTIFS ................. ............ ............... ......................... .... ......................... .......... .. ... 3 1.3 MÉTHODOLOGIE ..... ................................................................................................ 4 CHAPITRE 2: MODELISATION DES MOTEURS A INDUCTION ........................... 5 2.1 INTRODUCTION ...... ......................... ............................................................... ......... 5 2.2 CONSTITUTION ET PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT ........ ........ .......... ......... 6 2.2.1 Constitution .. .... ...... ............................................ .................................. ................ 6 2.2.2 Principe de fonctionnement.. ............................ .................... ................................ 8 2.3 MODELISATION DU MOTEUR ASYNCHRONE A CAGE .................................. 9 2.3.1 Hypothèses ........ ................ .... ............................ ........... ........................................ 9 2.3.2 Equations électriques et mécaniques .......................... .............. .. ... ................... .. 10 2.3 .3 Transformation de Concordia ..................... ...................... .................... .. .. .......... 12 2.3.4 Transformation de Park (rotor fictif équivalent fixe) ........................ ................. 13 2.3.5 Expression des flux statoriques et rotoriques dans un repère (dq) : ................... 15 2.4 MODELE SIMULINK DE LA MACHINE ASYNCHRONE A CAGE .................. 17 2.4.1 Modèle SIMULINK ..... ........................................................ ........................... ... 17 2.4.2 Résultats de simulation au démarrage à vide et en charge ...... ...................... ..... 18 2.4.3 Processus de démarrage suivi du freinage par contre-courant ........................... 20 2.5 CONCLUSION ....................................................................................... ....... ........... 23 ii Prototypage rapide à base de FPGA d'un algorithme de contrôle avancé pour le moteur à induction CHAPITRE 3 : COMMANDE SVPWM D'UN ONDULEUR ....................................... 24 3.1 INTRODUCTION .................... .................................................... ... ................. ......... 24 3.2 ALIMENTATION D'UNE MACHINE ASYNCHRONE ....................................... 25 3.2.1 Redresseur triphasé .................................. ............. ........................................... .. 26 3.2.2 Hacheur de freinage .......................................... .................. .. ............................. 26 3.2.3 Onduleur triphasé ..................................................................... .. ........................ 26 3.2.4 Topologies d'onduleurs ... .... ............................................................................... 27 3.3 COMMANDE D'UN ONDULE UR TRIPHASÉ ............. .. ...................................... 31 3.3.1 Fonction d'un onduleur de tension ..................................................................... 32 3.3.2 Modélisation et commande d'un onduleur de tension triphasé à deux niveaux "Structure NPC" ................................................................................................. 33 3.4 MODELISATION SIMULINK DE LA TECHNIQUE SVPWM ................. ......... .. 46 3.4.1 Étapes de la simulation ................................................. .............................. ........ 46 3.4.2 Modèle Simulink .. .......... .................................. .................... ..... ..... .................... 47 3.4.3 Résultats de simulation ...................... .... .......... .......................... .............. ... ........ 48 3.5 CONCLUSION ........... .... ............................. .... ......................................................... 49 CHAPITRE 4 : CONTROLE DIRECT DU COUPLE (DTC) SIMPLIFIE D'UNE MACHINE ASYNCHRONE .............................................................................................. 50 4.1 INTRODUCTION ...... ..................... .... .............. ........................... ............................. 50 4.2 COMMANDE DTC (DIRECT TORQUE CONTROL) D'UNE MAS ...... .............. 51 4.2.1 Principe de commande ............................................................ ........................... 51 4.2.2 Développement de la commande DTC ................................................ .. ............ 52 4.2.3 Estimation du flux statorique et le couple électromagnétique ........................... 52 4.2.4 Comparateurs à hystérésis et table de vérité ................................ ...................... 53 4.3 MODELISATION DE LA DTC SOUS MATLAB/SIMULINK ............. ................. 56 4.3.1 Algorithme DTC ................................................................................................ 56 4.3.2 Résultats de simulation ................................. .................................. ... ... .............. 58 4.4 CONCLUSION ... .................................. ................ ........................................... ......... 59 iii TABLE DES MATIÈRES CHAPITRE 5 : ALGORITHME DE COMMANDE GENERALE SVPWM POUR LES ONDULE URS MULTI-NIVEAUX ........................................................................... 60 5.1 INTRODUCTION ....................................................................... .............................. 60 5.2 INTERET DES ONDULE URS MULTI-NIVEAUX ................................................ 61 5.3 STRATEGIES DE COMMANDE ET MODELISATION DES ONDULEURS MULTI-NIVEAUX .................... .......................................... ..................................... 62 5.3.1 Commande d'un onduleur multi-niveaux par la modulation PWM ................... 62 5.3.2 Proposition de méthode générale de commande SVPWM pour onduleurs multi- niveaux ...... ............ ............................................................................................. 73 5.4 SIMULATION ET VALIDATION ................................................................. .......... 82 5.4.1 Commande d'un onduleur multi-niveaux PWM ................................................ 83 5.4.2 Études de performance des onduleurs multi-niveaux ........................................ 87 5.4.3 Limite des onduleurs multi-niveaux ........................................ ........................... 89 5.4.4 Commande d'un onduleur multi-niveaux SVPWM ........................................... 91 5.4.5 SVPWM de niveaus supérieurs .......................................................................... 92 5.5 MODELISATION DE LA COMMANDE D'ONDULEUR EN VHDL .................. 94 5.5.1 Modélisation SVPWM à deux niveaux en VHDL. .......................... .................. 94 5.5.2 Estimation du type de FPGA nécessaire pour une implémentation de la SVPWM à sept niveaux ..................................................................................................... 98 5.6 CONCLUSION ....................................................................................................... 100 CHAPITRE 6 : CONCLUSION GÉNÉRALE ............................................................... 102 RÉFÉRENCES .................................................................................................................. 105 ANNEXES .......................................................................................................................... 110 iv INDEX DES FIGURES ET TABLEAUX INDEX DES FIGURES Chapitre 2 : Fig. 2.1 : Morphologie d'une machine asynchrone à cage ....................................................... .. 7 Fig. 2.2: Schéma de principe de fonctionnement.. ........................................ .. .................... ....... 8 Fig. 2.3: Schéma électrique d'un moteur asynchrone ........................... ..................................... 9 Fig. 2.4: Schéma angle électrique du stator et roteur ................. ......................................... ..... Il Fig. 2. 5: Transformation de Concordia ................................................................................... 12 Fig. 2.6: Rotation ...................................................................................................................... 12 Fig. 2.7: Repère triphasé fixe par rapport au stator (S_a, S_b, S_c), repère (dq) formant un angle 8_s quelconque par rapport au stator.. ................ ........................................... ... 13 Fig. 2.8: Modèle Simulink du moteur asynchrone ........ ........................................................... 17 Fig. 2.9: Résultats de la simulation du processus de démarrage à vide ................................... 18 Fig. 2.10: Résultats de la simulation du processus de démarrage à vide du moteur asynchrone suivi de l'application d'une charge ............................................... ........................................... 19 Fig. 2.11: Bloc de la source triphasée ..................................................................................... 20 Fig. 2.12: Résultats de la simulation du processus de démarrage à vide suivi du freinage par contre-courant. ................................................................................................... ........ 21 Fig. 2.13: Résultats de la simulation du processus de démarrage à charge suivi du freinage par contre-courant ........ ................................... ................................................................. 22 v Prototypage rapide à base de FPGA d'un algorithme de contrôle avancé pour le moteur à induction Chapitre 3 : Fig. 3.1 : Schéma de la structure d'alimentation .......... ............................ ................................. 25 Fig. 3.2: Schéma de principe d'un hacheur hystérésis ........................................................ ..... 26 Fig. 3.3: Onduleurs à trois et à quatre niveaux (phase A) .................................. ...................... 28 Fig. 3.4: Onduleurs à condensateurs flotteurs à trois et à quatre niveaux (phase A) ............... 29 Fig. 3.5: Onduleur en cascade à 5 niveaux (phase A) .................. .......................... .................. 30 Fig. 3.6: Les différentes stratégies de modulation pour la commande des moteurs ...... ........... 31 Fig. 3.7: Schéma d'un onduleur de tension triphasé .................................................... ............. 33 Fig. 3.8: Signal PWM modulé ...... ........ ............ ............................................... .................... ..... 34 Fig. 3.9: Schéma d'un moteur alimenté par un onduleur triphasé .......................... ................. 36 Fig. 3.10: Les huit vecteurs tensions de l' onduleur (V _ 0 to V _7) .......... ........ ...................... ... 38 Fig. 3.11: Figure de comparaison de la tension de control linéaire maximum dans Sine PWM et SVPWM ........... ...................... ................. ................. ........... ............... ....... ........... 38 Fig. 3.12: Relation entre le repère abc et le repère stationnaire dq .................... ...................... 38 Fig. 3.13: Vecteurs de commutation de base et secteurs ................ .......................................... 40 Fig. 3.14: Vecteur espace tension et ces composants dans (d, q) .......................................... ... 41 Fig. 3.15: Vecteur référence comme résultante des vecteurs adjacents du secteur 1 .... .......... .42 Fig. 3.16: Temps de commutation du SVPWM dans chaque secteur ............ .......................... 43 Fig. 3.17: Commande S VPWM d'une machine asynchrone .. .................... ...................... ....... 47 Fig. 3.18: Génération des signaux PWM ................................................................................. 47 Fig. 3.19: Résultats de simulation SVPWM ...................................... ............ .......................... 48 Chapitre 4 : Fig. 4.1: Schéma de principe de la DTC ............ .......................................................... ............ 52 Fig. 4.2: Évolution du flux par rapport à uploads/Industriel/ prototypage-rapide-a-base-de-fpga-pdf.pdf