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République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Sup

République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique préparé au Laboratoire des Systèmes Propulsion-Induction Electromagnétique LSP-IE’2000 Batna présenté par Djamel BENOUDJIT (Magister en Electrotechnique de l’Université de Batna, 2005) (Maître Assistant Classe A, Université Mentouri Constantine) Soutenu le 13/01/2010 devant le Jury composé de : A. Makouf Professeur, Univ. Batna Président M.S. NaïtSaïd Professeur, Univ. Batna Rapporteur (Encadreur) N. NaïtSaïd Professeur, Univ. Batna Rapporteur (Co-Encadreur) M.E.H. Latreche Professeur, Univ. Constantine Examinateur A. Goléa Professeur, Univ. Biskra Examinateur A. Betka Maître de Conférences, Univ. Biskra Examinateur – 2009 – Université de Batna Faculté des Sciences de l’Ingénieur DOCTORAT En SCIENCES En GENIE ELECTRIQUE LSP-IE’2000 Batna CONTRIBUTION A L’OPTIMISATION ET A LA COMMANDE D’UN SYSTEME DE PROPULSION POUR VEHICULE ELECTRIQUE A la mémoire de mon père REMERCIEMENTS Ce travail a été préparé au sein du Laboratoire des Systèmes Propulsion-Induction Electromagnétiques LSP-IE’2000 sous la direction de Messieurs Med. Saïd Naït-Saïd et N. Naït-Saïd, Professeurs au département de Génie Electrique à l’Université de Batna. A ce titre, je tiens à leur témoigner ma reconnaissance, pour leur contribution au développement et à la présentation des idées décrites dans ce travail. J’apprécie de tout cœur leurs qualités humaines, leur soutien, leur disponibilité ainsi que leurs précieux conseils scientifiques quotidiens qui m’ont permis de finaliser cette thèse. Je remercie chaleureusement Monsieur A. MAKOUF, Professeur à l’Université de Batna, directeur du laboratoire LSP-IE’2000, pour m’avoir fait l’honneur de présider le jury de ma thèse et d’avoir mis à ma disposition les outils indispensables pour la validation expérimentale. Mes remerciements vont de même aux autres membres de jury examinateurs pour l'intérêt qu'ils ont porté à mon travail en participant au jury de ma thèse. Il s’agit, en l’occurrence de : Monsieur Med. El-hadi LATRECHE, Professeur à l’Université de Constantine, Monsieur A. GOLEA, Professeur à l’Université de Biskra, Monsieur A. Betka, Maître de Conférences, à l’Université de Biskra. J'exprime toute ma reconnaissance à Monsieur S. DRID, Maître de Conférences, à l’Université de Batna pour son aide précieuse durant l’élaboration des essais expérimentaux, la pertinence de ses remarques et pour sa disponibilité sans faille. Je tiens par ailleurs à remercier vivement Monsieur A. BENOUDJIT, Professeur à l’Université de Batna, pour ses conseils et ses nombreux encouragements. Que Monsieur N. BENOUDJIT, Maître de Conférences, département d’Electronique à l’Université de Batna, soit aussi bien remercié pour son appui moral et son soutien. Je tiens aussi à remercier Madame F. Ezzahra LOUAI et Madame F. ZIDANI Professeurs à l’Université de Batna, pour leurs encouragements incessants. Mes remerciements s’adressent enfin à mes collègues enseignants-chercheurs du département d’Electrotechnique Université de Constantine, pour leurs amitiés et leurs encouragements. Djamel Benoudjit Laboratoire LSP-IE’2000 AVANT-PROPOS Le travail présenté dans cette thèse a donné lieu aux publications et communications suivantes : 1. D. Benoudjit, M.-S. Naït-Saïd and N. Naït-Saïd, Speed Sensorless Vector Control of a Propulsion System based on Full-Order Flux Observer, ELECTROMOTION Journal, Special Issue, Papers presented at the 5th CEE’08 27-29 Sep. 2008, Batna, Algeria, Vol.15, N° 4, pp.-216-220, Oct.b-Dec. 2008. 2. D. Benoudjit, M.-S. Naït-Saïd, N. Naït-Saïd, Speed Sensorless Vector Control of a Propulsion System based on Full-Order Flux Observer, 5th CEE’08 27-29 September 2008, Batna, Algeria. 3. D. Benoudjit, N. Naït-Saïd, M.-S. Naït-Saïd, Robust Speed Control of a Propulsion System based on Symmetrical Method, revue Roumaine des Sciences Techniques, Vol. 4, Tome 52, pp. 475-487, Octobre-Décembre 2007. 4. D. Benoudjit, N. Naït-Saïd, M.-S. Naït-Saïd, Differential Speed Control of a Propulsion System using Fractional-Order Controller, ELECTROMOTION Journal, Vol.14, N° 2, pp. 91-98, April-June 2007. 5. D. Benoudjit, N. Naït-Saïd, M.-S. Naït-Saïd, Robust Speed Control of a Propulsion System using Non Integer Controller, International Meeting on Electronics & Electrical Science and Engineering IMESE’06, Abstracts Books page 9, Djelfa, Algeria, Nov. 4-6, 2006. RESUME & MOTS-CLÉS En LANGUE ARABE آﻬﺮﺑﺎﺌﻴﺔ و اﻝﺘﺤﻜﻢ ﻠﻨﻈﺎم اﻝﺪﻔﻊ ﻠﺱﻴﺎرة ﻓﻲ اﻠﺘﺤﺴﻴﻦ ﻤﺴﺎهﻤﺔ ذا ت ﺱﻴﺎرة آﻬﺮﺑﺎﺌﻴﺔ ﺕﺮآﻴﺒﺎت اﻟﺘﺤﻜﻢ ﻟﺪﻓﻊ ﺑﺪراﺴﺔ اﻷﻄرﻮﺤﺔ ﻳﺘﻌﻟﻖ هﺬﻩ اﻟﻤﻘﺪم ﻓﻲ ﻡﻠﺨﺺ  اﻟﻌﻤﻞ ﻡﺤﺮآﻴﻦ ﻏﻴﺮ ﻡﺘﺰاﻡﻨﻴﻦ ﻡﻦ وﺟﻬﺔ ﻥﻈﺮ اﻟﺘﺤﻜم واﻟﺘﺤﺴﻴﻦ اﻟﻄﺎﻗﻲ ﺑﻬﺪف ﺰﻴﺎدة .اﻹﺴﺘﻘﻼﻞ اﻟﺬاﺕﻲ ﻓﻲ ﺧﻄﻮة vاﻟﺘﻜﻨﻮﻟﻮﺟﻴﺎت اﻟﻨﺎﺷﺌﺔ ﻗﺪ ﺘﻢvﻟوﺻﻒ vﻡﻮﺟﺰا ﻟﺒﻌﺾ ﻷﻨﻈﻤﺔ اﻟﺪﻔﻊ اﻠﻜﻬﺮﺒﺎﺌﻲﺒﺎﻹﺿﺎﻓﺔ ﺑﻴﺎن ﻓﻦ،أوﻟﻰ اﻟﻀﻴﺎع ﻓﻲ اﻟﻤﺘﻀﻤﻦ ﺒﺘﺡﺪﻳﺪ اﻟﻨﻤﻮذج vاﻟﺮﻳﺎﺿﻲ ﺜﻢ ﻗﻤﻨﺎ اﻟﻤﻮﺿﻮع ﻓﻲ .ﺱﻴﺎﻗﻪ ﺒرد،ﻋﺮﻀﻪ ﻡﻤﺎ ﻳﺴﻤﺢ اﻟﺤﺪﻳﺪ ﻟﺔﻶﻟ وآﺬﻟﻚ ﻟﻀ ا ﻴﺎع ﻓﻲ ﻮلﺤﻤﻟا. و ﻓﻲ ﺧ ﻄﻮة ﺎﺙ ﻴﻥ،ﺔ ﺕﺮآﻴﺒﺎت اﻟﺘﺤﻜﻢ ﺡﺔﺮﺘﻟﻤﻘ ا ﻊﻓﻟﺪ ةﻴﺎرﺱ آ ﻬﺮﺑﺎ ﺌﻴﺔ ذات ﻡﺤﺮآﻴﻦ ﻏﻴﺮ ﻡﺘﺰاﻡﻨﻴﻦ ﺘﻢ ﺘﻘدﻴﻤﻬﻤﺎ وﺕﺤﻠﻴﻠﻬﻤﺎ ﻹﺑﺮاز ﻡﺒﺪأ اﻟﺘﻔﺎوت vاﻠﻜﻬﺮﺒﺎﺌﻲ وآﺬا ﻓﻌﺎﻟﻴﺔ اﻟﻤﺮاﻗﺒﺔ ،اﻟﻤﻘﺘﺮﺡﺔ ﺧﺎﺻﺔ ﻋﻨﺪ اﺱﺘﻌﻤﺎل ﻡﻨﻈﻤﺎت vآﺴﻮر ﻗﻮﻳﺔ وﺕﻠﻚ اﻟﺘﻲ ﺕﻘﻮم ﻋﻠﻰ اﻟﺘﻨﺎﻇﺮ .اﻷﻤﺜﻞ ﺑﺎﻟﺨﺼﻮص ﻤﻊ ﻘﻴﺎﺪةﺱﻴﺎرة آﻬﺮﺑﺎﺌﻴﺔ ﺑﺴﺮﻋﺎت ﻡﻨﺨﻔﻀﺔ ﻋﻨﺪ واﻠﻌﻤﻠﻴﺎﺖ،ﺘﻄﺑﻳﻖﻋزم اﻠﺘﺤﻡﻳﻞ،اﻹﻨﺤﺮاﻔﺎﺖ اﻠﺒﺮاﻡﺘﺮﻴﺔ ﻠﻀﻤﺎﻦ vﻡﺴﺎر ﻡﻌﻴﻦ vﺑﻤﻨﺎورات .ﻡﺤﺪدة ﺑﻌﺪ ذﻟﻚ ﻡﺒﺪأ اﻟﺘﻔﺎوت ﻓﻲ اﻟﺴﺮﻋﺔ اﻟﻤﺴﺘﺨﺮج ﻡﻦ ﺕﺮآﻴﺒﺎت اﻟﺘﺤﻜﻢ ﺘﻢ ﺘﺕﺄﻟﻒ ﻡﻦ اﻟﻤﺤﺮك ذات ﻡﺤﺮآﻴﻦ ﻏﻴﺮ ﻡﺘﺰاﻡﻨﻴﻦ ﺑﺎﺧﺘﺒﺎر ﺕﺮﻜﻴﺒﺔ ﺤﻴﺚﺘﻌﻠﻖ اﻷﻤﺮ،ﺕﺠﺮﻴﺒﻴﺎ اﻠﺘﺤﻘق ﻡﻨﻪ اﻟﺤﻘﻴﻘﻲ و اﻹﻔﺘﺮاﻀﻲ. اﻟﻤﺮﺡﻠﺔ اﻷﺧﻴرة ﺧﺼﺼﺖ ﻟﻸداء اﻟﻄﺎ ﻗﻲ اﻟذي ﻤﻦ ﺧﻼﻟﻪ ﺕﺤﺴﻴﻦ اﻟﻤﺮدود ﻴﺘﻢ ﻋﻦ vﻄﺮﻴﻖ ﻤﺮاﻘﺐ ﻡﺒﻨﻲ ﻋﻠﻰ أﺱﺎس ﻔﻜﺮة ﺘﻮﺠﻴﻪ زاوﻳﺔ اﻟﺤﻤﻞ ﻤﻊ ﺘﺜﺑﻴﺖ ﻋاﻤﻞ اﻹﺴﺘﻂﺎﻋﺔ ﻟﻠﻤﺤﺮك ﻔﻲ ﻗﻴﻤﻪ اﻟﻤﺜﻠﻰ ﺒاﻟﺨﺼﻮﺺ ﺘﺤﺖ أﺤﻤاﻞ .ﻀﻌﻴﻔﺔ هﺬا اﻟﻤﺮاﻗﺐ ﻤﺴﺘﻘﻞ ﻋﻦ ﻡﻤﻴﺰات ،اﻵﻟﺔ ﻤﻤﺎ ﻳﻤﺜﻞ ﺷﻴﺌﺎ إﻳﺠﺎﺑﻴﺎ ﻓﻲ ﻤﺠﺎﻞ اﻠﺘﺤﻜﻢ .اﻠﺸﻌﺎﻋﻲ اﻠﺘﺤﺴﻴﻦ،ﻤﺘﺰاﻤﻦ ﻡﺤﺮك ﻏﻴﺮv ،اﻟﺘﻔﺎوت اﻠﻜﻬﺮﺒﺎﺌﻲ ﻥﻈﺎم ،اﻟﺪﻓﻊ،ﺱﻴﺎرة آﻬﺮﺑﺎﺌﻴﺔ آﻝﻤﺎت-ﻡﻔﺎﺕﻴﺢ  ،اﻟﻄﺎﻗﻲ v .اﻟﻤﺮدود RESUME & MOTS-CLÉS Résumé  Le travail présenté dans ce mémoire concerne une étude des structures de commande bimoteur asynchrone destinées pour la propulsion d’un véhicule électrique du point de vue commande et optimisation énergétique visant à augmenter son autonomie. Dans une première étape, un état de l’art sur les systèmes de propulsion électrique ainsi qu’une description sommaire de certaines technologies émergentes ont été présentés, ce qui permet de replacer le sujet dans son contexte. Nous nous sommes ensuite intéressés à définir un modèle mathématique intégrant les pertes fer de la machine commandée vectoriellement et les pertes du convertisseur. Dans un deuxième temps, deux structures de commande proposées pour la propulsion d’un véhicule électrique bimoteur asynchrone ont été présentées et analysées afin de mettre en relief le principe du différentiel électrique ainsi que l’efficacité du contrôle ainsi proposé, en particulier lorsque des régulateurs robustes d’ordre fractionnaire et ceux basés sur la méthode de l’optimum symétrique sont utilisés. Essentiellement, avec les dérives paramétriques, application de couple de charge, et les opérations à basses vitesses quand le VE est conduit pour assurer une trajectoire particulière avec des manœuvres spécifiées. Par la suite le principe du différentiel électrique issu des structures de commandes a été validé expérimentalement, où il a été question de tester une structure bimoteur asynchrone constituée par le moteur réel et son virtuel. La dernière partie a été réservée à l’aspect performances énergétiques dans lequel l’amélioration du rendement s’effectue via un contrôleur conçu sur la base du maintien du facteur de puissance de la machine égale à sa valeur nominale notamment pour les fonctionnements à faibles charges. IL est indépendant des paramètres de la machine, ce qui est un avantage dans le contexte de la commande vectorielle. Mots-ClésVéhicule Electrique, Système de Propulsion, Différentiel Electrique, Machine Asynchrone, Optimisation Energétique, Rendement. NOTATIONS & SYMBOLES VE Véhicule Electrique s, r Indices stator, rotor d, q Indices de Park direct, en quadrature x Grandeur instantanée (tension, courant ou flux) x Grandeur complexe associe à x * x Grandeur complexe conjuguée m Partie imaginaire associée à la grandeur complexe  Position du rotor par rapport au stator (angle électrique) v Tension [V] i Courant [A]  Flux [Wb]  Pulsation mécanique [rad/s] p Nombre de paire de pôles  Vitesse du rotor ( = /p) s, sl Pulsation statorique, pulsation de glissement [rad/s] Ce, Cr, Cn Couple électromagnétique, couple de charge et couple nominal [Nm] Rs, Rr Résistance par phase du stator, du rotor [] Ls, Lr Inductances propres (cycliques) stator, rotor [H] ls, lr Inductances de fuites stator, rotor M Inductance mutuelle (cyclique) [H] g Glissement  Coefficient de dispersion total J Moment d’inertie des masses tournantes [Kg.m2] RM Résistance transversale représentant les pertes fer modèle parallèle [] Rms, Rmr Résistances au stator (rotor) représentant les pertes fer modèle série [] Rond Résistance équivalente représentant les pertes de l’onduleur [] fsw Fréquence de commutation (switching frequency, en anglais) [kHz] MLI Modulation de la Largeur d’Impulsions Psw , Pcon Pertes par commutation, par conduction de la diode et du transistor Pfer Pertes fer Pond Pertes du convertisseur (onduleur) PI Proportionnel Intégral OS, OF Optimum Symétrique, Ordre Fractionnaire 1 , 2 Vitesses de rotation du moteur I, moteur II en [rad/s] du véhicule diff Différence de vitesse  D’autres notations spécifiques peuvent être définies dans les chapitres s’il y a lieu. SOMMAIRE Notations & Symboles Introduction Générale 1 Problématique….....................................................................................................01 2 Objectif…...............................................................................................................03 3 Structure du mémoire….........................................................................................03 Chapitre Un Systèmes de Propulsion Electrique : Etat de l’Art 1 Introduction…...........................................................................................................05 1.1 Problématique….......................................................................................................06 1.2 Définition…..............................................................................................................07 1.2.1 Le Bloc Moteur Electrique…...................................................................................08 1.2.2 Le Bloc de Commande et de Contrôle…..................................................................08 1.2.3 Le Bloc de Puissance…............................................................................................08 1.3 Historique….............................................................................................................08 1.4 Technologies Emergentes….....................................................................................10 1.4.1 Véhicules Electriques à Batterie...............................................................................10 1.4.2 Véhicules Hybrides…...............................................................................................10 1.4.3 Véhicules à Pile à Combustible…............................................................................12 1.5 Le Moteur Electrique d’Entraînement......................................................................13 1.5.1 Moteurs à Courant Continu…..................................................................................14 1.5.2 Moteurs à Courant Alternatif…................................................................................15 1.6 Conclusion…............................................................................................................17 Chapitre Deux Commande Vectorielle Robuste d’un Moteur à Induction 2 Introduction…..........................................................................................................18 2.1 Contrôle Vectoriel Indirect à Flux uploads/Litterature/ elec-benoudjit-djamel.pdf