Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

¯¯¯¯ ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ U.F.R. Scien

¯¯¯¯ ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ U.F.R. Sciences & Techniques : S.T.M.I.A. Ecole Doctorale : Informatique-Automatique-Electrotechnique-Electronique-Mathématique Département de Formation Doctorale : Electrotechnique–Electronique Thèse présentée pour l'obtention du grade de Docteur de l'Université Henri Poincaré, Nancy-I en Génie Electrique par Thierry LUBIN  Ð  Modélisation et commande de la machine synchrone à réluctance variable. Prise en compte de la saturation magnétique.  Ð  Soutenue publiquement le 18 avril 2003 devant la commission d'examen : Membres du Jury : Président : J. FAUCHER Professeur, LEEI, INPT - ENSEEIHT, Toulouse Rapporteurs : B. LEMAIRE-SEMAIL Professeur, L2EP, EUDIL, Lille J. P. LOUIS Professeur, SATIE, ENS de Cachan Examinateurs : H. RAZIK Maître de Conférences - HDR, GREEN, IUFM de Lorraine A. REZZOUG Professeur, GREEN, UHP, Nancy 1 E. H. ZAIM Professeur, GE 44, Saint-Nazaire invité : F.M. SARGOS Professeur, GREEN, INPL - ENSEM, Nancy Groupe de Recherche en Electrotechnique et Electronique de Nancy Faculté des Sciences et Techniques – B.P. 239 – 54506 Vandoeuvre-lès-Nancy A ma femme Florence, à mes enfants Nicolas et Marie. Avant-Propos Les travaux présentés dans ce mémoire ont été effectués au sein du Groupe de Recherche en Electrotechnique et Electronique de Nancy (GREEN UMR-CNRS 7037) sous la direction de Monsieur A. REZZOUG, Professeur à l’Université Henri Poincaré de Nancy. Je tiens à remercier vivement Monsieur A. REZZOUG pour m’avoir accueilli dans son laboratoire et avoir dirigé cette thèse. Ses précieux conseils et son expérience m’ont permis de progresser tout au long de ce travail de recherche. J’exprime également mes remerciements à Monsieur H. RAZIK, Maître de Conférences à l’IUFM de Lorraine pour avoir co-dirigé ce travail. Je tiens à le remercier pour sa disponibilité et pour ses conseils. Je remercie très sincèrement Monsieur J. FAUCHER, Professeur à l’Institut National Polytechnique de Toulouse pour l’honneur qu’il m’a fait en acceptant de présider mon Jury. J’adresse également mes remerciements à Madame B. SEMAIL, Professeur à l’Ecole Universitaire D’Ingénieurs de Lille (EUDIL), et à Monsieur J. P. LOUIS, Professeur à l’Ecole Normale Supérieure de Cachan, pour l’intérêt qu’ils ont porté à ce travail en acceptant d’être les rapporteurs de ma thèse et pour leur participation à mon jury. Je remercie chaleureusement Monsieur E. H. ZAIM, Professeur à l’Ecole Polytechnique de l’Université de Nantes pour sa participation à mon jury. Je remercie Monsieur F. M. SARGOS, Professeur à l’Institut National Polytechnique de Lorraine et chercheur au GREEN pour sa présence à mon jury. Je tiens également à remercier l’ensemble des chercheurs et enseignants du GREEN de l’université Henri Poincaré qui ont su créer une ambiance de travail agréable. Je ne pourrais terminer cet avant-propos sans remercier ma femme, Florence, pour ses encouragements et la patience dont elle a fait preuve lors de longues soirées de travail. Avant-Propos Table des matières 1 TABLE DES MATIERES Table des matières 2 Table des matières 3 Table des matières …………………………………………………..….. 1 Introduction Générale …………………………………………………..7 Chapitre I : Constitution et modélisation de la machine synchrone à réluctance variable……………….. 13 1. Introduction………………………………………………………………………..15 2. Les différentes Structures de rotor ………………………………….……… 15 2.1 Introduction……………………………………………………...…………….… 15 2.2 Influence du paramètre Ld/Lq sur les performances de la machine……….……...16 2.3 Les différents types de rotor…………………………………………………..…. 18 2.3.1 Structures de rotor à cage………………………………………………….. 20 2.3.2 Structures de rotor sans cage………………………………………………..20 2.4 Conclusion……………..………………………………………………………... 21 3. Rappel du modèle de la machine ……………………………………………. 22 3.1 Hypothèses et mise en équations…………………………………………………22 3.2 Modèle de la machine dans le repère du stator………………..………...………. 23 3.3 Modèle de la machine dans le repère (d-q)……..……………………………….. 24 4. Limites du modèle classique ………………………………………………… 26 4.1 Introduction…….………………………………………..………………………..26 4.2 Hypothèse du premier harmonique…………………………………………….... 26 4.2.1 Mesure des inductances statoriques………………..…………………….... 26 4.2.2 Modèle incluant l’harmonique d’espace de rang 3………….……………...27 4.2.2.1 Modèle de la machine dans le repère du stator…………………... 27 4.2.2.2 Modèle de la machine dans le repère de Concordia………………30 4.2.3 Conclusion……………………………………………..………………….. 35 4.3 Saturation magnétique ….……………………………………………………….. 36 5. Conclusion ……………………………………………………………………..…. 38 Chapitre II : Modèle saturé de la machine au sens du premier harmonique……………………………. 41 1. Introduction…………………………………...……………………………….…..43 2. Modèle de la machine saturée à inductances de fuites séparées………43 2.1 Introduction…………………………..………….………………………………..43 2.2 Séparation des inductances de fuites…………………………………………….. 43 2.3 Prise en compte de la saturation…………………………………………………. 44 2.4 Inconvénients du modèle saturé à fuites séparées……….….…………………… 46 Table des matières 4 3. Modèle saturé à inductances de fuites totalisées au stator…………….. 46 3.1 Introduction…….………………………………………………………..………..46 3.2 Expressions des flux magnétiques………………………………………………..47 3.3 Prise en compte de la saturation dans l’expression des flux………..…………… 49 3.3.1 Machine équivalente à pôles lisses………………………………………… 49 3.3.2 Modèle saturé à un seul coefficient de saturation…………………………..51 3.4 Modèle saturé où les courants sont choisis comme variables d’état…………….. 52 3.5 Modèle saturé où les flux sont choisis comme variables d’état…………………..56 3.6 Cas particulier de la machine asynchrone……………………………..………… 59 4. Conclusion ……………………………………………………………………...….60 Chapitre III : Etude de la validité du modèle saturé par des essais expérimentaux……………….…….. 61 1. Introduction…………………………………...………………………..……….…63 2. Identification des paramètres électriques…………………………….…….63 2.1 Structure de la machine étudiée…………………………………………………..63 2.2 Identification des paramètres non saturés………………………………………...65 2.2.1 Méthode de l’échelon de tension continue………………………………….65 2.2.2 Essais sous tension sinusoïdale réduite……………………………………..69 2.2.2.1 Essai à vide………………………………………………………..69 2.2.2.2 Essais à rotor bloqué……………………………………………... 70 2.3 Identification du coefficient de saturation Ks…………………………………….71 2.3.1 Méthode de l’échelon……………………….……………………………....71 2.3.2 Essai à vide………………………………………………………………… 72 2.3.3 Représentations mathématiques du coefficient de saturation Ks…………...73 2.3.3.1 Modèle où les courants sont choisis comme variables d’état……. 73 2.3.3.2 Modèle où les flux sont choisis comme variables d’état……..…. 75 2.4 Conclusion………………………………………………………………………..75 3. Détermination de la caractéristique magnétique d’axe q……………… 76 3.1 Prédétermination théorique…….……………………………………..…………..76 3.2 Relevé expérimental…………………………………………………..………… 76 4. Echelon de tension continue, évolution du courant i(t) en régime saturé…………………………………………………………….…… 78 4.1 Equations du modèle saturé…………………………………………….…….…..78 4.2 Essai suivant l’axe d……………………………..……………………………… 78 4.3 Essai suivant l’axe q……………………………………………………………... 79 4.4 Conclusion…………………………………………………………………….….79 5. Effet croisé de saturation……………………………………………………….82 5.1 Introduction………………………………………………..…………………….. 82 5.2 Influence de l’effet croisé sur la valeur des flux………………………………….82 Table des matières 5 5.2.1 Etude théorique……………………………………………………………..82 5.2.2 Vérification expérimentale……………………………………………….…83 5.3 Mise en évidence de l’effet croisé sur un régime transitoire……………………..89 5.4 Conclusion…………………………………………………………………….….91 6. Etude de la machine alimentée par le réseau………………………………92 6.1 Introduction……………………..……………………………………………….. 92 6.2 Etude du régime permanent…………………………………………………...….92 6.2.1 Relevé des caractéristiques de la machine………………………………….92 6.2.2 Evolution du couple de décrochage en fonction du niveau de saturation.….95 6.3 Effets de la saturation sur le régime dynamique……..………………………….. 100 6.3.1 Démarrage à vide de la machine……………………………………………100 6.3.1.1 Démarrage de la machine sous tension réduite…………………...100 6.3.1.2 Démarrage de la machine sous tension nominale……………..…. 103 6.3.2 Echelon de couple résistant……………………………………………..…..104 7. Conclusion…………………………………………………………………….……110 Chapitre IV : Effets de la saturation magnétique sur le contrôle vectoriel………………………….…. 111 1. Introduction…………………………………...……………..………………….…113 2. Description du banc expérimental……………………………………..……. 113 3. Commande en couple………………………………………………………….... 115 3.1 Modélisation des boucles de courant………..……………………………….….. 115 3.2 Synthèse des correcteurs………………………………………………………….117 3.3 Vérification des performances……………………………………………………119 3.4 Effets de la saturation sur la valeur du couple……………………………………121 3.5 Conclusion……………………………………………………………………..…126 4. Commande en vitesse………………………………………………………..….. 126 4.1 Modélisation de la boucle de vitesse…………………………………………….. 126 4.2 Synthèse du correcteur de vitesse……………………………………………..….127 4.3 Vérification des performances…………………………………………..………. 128 4.4 Effets de la saturation sur la dynamique………………………………………….130 4.4.1 Régime de fonctionnement non saturé…………………………………..….130 4.4.2 Régime de fonctionnement saturé……………………………………….….133 4.4.3 Echelon de couple résistant…………………………………………………137 5. Conclusion………………………………………………………………………….138 Table des matières 6 Chapitre V : Etude de deux stratégies de commande pour le régime permanent…………………………..141 1. Introduction…………………………………...………………………………….. 143 2. Commande à couple maximal…………………………………………….….. 143 2.1 Introduction…………….……………………………..…………………………..143 2.2 Recherche d’une loi de commande……………………………………………….143 2.2.1 Modèle non saturé…………………………………………………….…….144 2.2.2 Modèle saturé…………………………………………………………….…145 2.3 Vérification expérimentale de la loi de commande………………………..……. 149 2.4 Conclusion………………………………………………………………………..152 3. Commande à rendement optimal………………………………..……………154 3.1 Introduction…………………………………………………….………..………..154 3.2 Mesure de la puissance absorbée…………………………………………………154 3.3 Caractéristiques Pa = f(Isd) et η = f(Isq/Isd)………………………………………158 3.4 Utilisation d’un algorithme d’optimisation…………………………………….... 161 3.4.1 Principe de la commande…………………………………………..……… 161 3.4.2 Méthodes de recherche d’un optimum…………………………………….. 162 3.4.2.1 Recherche dichotomique……………………………………….…162 3.4.2.2 Recherche de Fibonacci………………………………………….. 163 3.4.2.3 Section dorée………………………………………………..…….165 3.4.2.4 Comparaison des méthodes………………………………..…….. 167 3.4.3 Résultats de simulation…………………………………………………….. 168 3.4.4 Résultats expérimentaux…………………………………………………....169 3.4.4.1 Essai à vide…………………………………………………….….169 3.4.4.2 Essais en charge………………………………………………….. 172 3.4.4.3 Gestion des régimes transitoires…………………..…………..…. 172 3.4.4.4 Problèmes de fonctionnement…………………………………….174 4. Conclusion……………………………………………………………………….... 176 Conclusion Générale………………………………………………….... 177 Annexes………………..…………………………………………………...181 Nomenclature………………….……………………………………..….. 187 Bibliographie.…………………………………………………………….. 191 Introduction générale 7 INTRODUCTION GENERALE Introduction générale 8 Introduction générale 9 Les machines électriques équipent la majeure partie des systèmes d’entraînement industriels à vitesse variable. Les applications vont de la robotique (servomoteurs) jusqu’à l’entraînement des laminoirs en sidérurgie en passant par le domaine des transports. La machine à courant continu est restée longtemps l’actionneur le plus utilisé pour réaliser ces systèmes. Convenablement compensée, cette machine présente l’avantage d’être simple à commander, le couple étant directement proportionnel au courant d’induit. Néanmoins, elle présente des inconvénients liés à sa structure. La présence du système balais-collecteur nécessite un entretien constant (usure du graphite), limite la vitesse de rotation, interdit son utilisation en atmosphère explosive. Le développement des semi-conducteurs de puissance a permis de réaliser des onduleurs de tension ou de courant, ouvrant la voie de la vitesse variable aux machines alternatives (synchrone et asynchrone). Ces machines possèdent de nombreux avantages par rapport à la machine à courant continu. L’absence du collecteur permet d’accroître la fiabilité et permet d’obtenir des machines ayant un coût de fabrication et d’entretien moins important. Les avancées technologiques de la micro-électronique ont permis le développement de commandes très performantes pour les machines alternatives (contrôle vectoriel et contrôle direct en couple). De nombreux constructeurs proposent aujourd’hui des variateurs utilisant uploads/Science et Technologie/ lubin-2003.pdf