CONTRIBUTION A LA COMMANDE DIRECTE DU COUPLE DE LA MACHINE ASYNCHRONE

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1 RÉPUBLQUE ALGÉRENNE DÉMOCRATQUE ET POPULARE MNSTÈRE DE L ENSEGNEMENT SUPÉREUR ET DE LA RECHERCHE SCENTFQUE UNVERSTÉ MENTOUR CONSTANTNE FACULTÉ DES SCENCES DE L NGÉNEUR DÉPARTEMENT D ÉLECTROTECHNQUE PRÉSENTÉE POUR L OBTENTON DU DPLÔME DE DOCTORAT EN SCENCES EN ÉLECTROTECHNQUE SPÉCALTÉ CONTRBUTON A LA COMMANDE DRECTE DU COUPLE DE LA MACHNE ASYNCHRONE!! "#$ Péident: AÏSSA BOUZD Pof. Univ. Mentoui Contantine Rappoteu: HOCNE BENALLA Pof. Univ. Mentoui Contantine Examinateu: RACHD ABDESSEMED Pof. Univ. Hadj Lakhda Batna AMMAR MOUSS Pof. Univ. Mohamed Khide Bika AMAR BENTOUNS M. C. Univ. Mentoui Contantine!

2 Dédicace %&'%%% % ()*'+(& ()*'+(&ï,&(+% %&-.&)'&%+ %&-.&)'&%+ % %(/,.( /,.('..( '..((1.( (1.(.('&(.('&( &.'..( '..((1.()%&'%% (1.()%&'%% 1

3 REMERCEMENTS Le tavaux de echeche péenté dan ce mémoie ont été effectué au Laboatoie d Elelectotechnique de l Univeité de Contantine(L.E.C). Je commenceai pa expime ma pofonde gatitude enve mon diecteu de thèe Monieu Hocine BENALLA, Pofeeu àl Univeité de Contantine, pou laconfiance qu il m a toujou témoignée. J ai tout paticulièement appécié eencouagement et e coneil, utout en fin de thèe. Note collaboation m a pemi depogee et de me contitue de olide bae pou le futu. En oute, il m a pemi decompende de ne jamai abandonne en echeche malgé le nombeux obtacle... Je tien également à emecie : Monieu Aïa BOUZD, Pofeeu à l Univeité de Contantine, qui m a fait l honneu de péide le juy,me emeciement vont également aux membe du juy qui m'ont fait l'honneu de paticipe au juy pou l intéêt qu il ont bien voulu pote à ce tavail, en acceptant de l examine, en l'occuence : Monieu Rachid ABDESSEMED, Pofeeu à l Univeité de Batna, Monieu Amma MOUSS, Pofeeu àl Univeité de Bika et Monieu Amma BENTOUNS, Maîte de conféence àl Univeité de Contantine. Leu intevention vont an aucun doute enichie le débat et ouvi de nouvelle pepective à me tavaux. Je tien aui à expime ma pofonde gatitude et me emeciement le plu incèe à Monieu Med El-Hadi LATRECHE Diecteu de LEC de l Univeité de Contantine. Je ui econnaiant enve Monieu Yve-Ande Chapui, Pofeeu (CNRS) Fance, Monieu Xavie Roboam Chagé de Recheche (CNRS) Fance et Monieu Miloudi Abdallah pofeeu du C.U Moulay Thaha Saida pou l'intéêt qu'il m ont témoigné enve mon tavail et la documentation q il m a tanmie. Que ceux que j ai oublié de cite achant combien je leu eai toujou econnaiant. Je n oe cite de nom de peu d oublie quelqu un mai je gadeai en mémoie leu aide etleu outien. Me emeciement adeent aui à tou me collègue me ami et tou le membe de ma famille, en paticulie ma femme, pou leu encouagement et leu appui moal qui m ont pemi de mene à bon teme ce tavail.

4 Tavaux cientifique Publication ntenationale 1. ACSE ntenational Jounal on Automatic Contol and Sytem Engineeing, Volume 6, ue, pp. 33-4, June 6. SSN Tite: Diect Toque Contol fo nduction Moto Uing Fuzzy Logic Auteu: Riad Toufouti, Salima Meziane & Hocine Benalla. JAER ntenational Jounal of Applied Engineeing Reeach Volume, Numbe 3, pp , 7. SSN Tite: Diect Toque Contol fo nduction Moto Baed on Dicete Space Vecto Modulation Auteu: Riad Toufouti, Salima Meziane & Hocine Benalla. 3. ACSE ntenational Jounal on Automatic Contol and Sytem Engineeing, Volume 6, ue 3, pp , Octobe 6. SSN Tite: Review of Diect Toque and Flux Contol Method fo Voltage Souce nvete Fed nduction Moto Auteu: Salima Meziane, Riad Toufouti & Hocine Benalla 4. JATT Jounal of Theoetical and Applied nfomation Technology, Volume 3, Numbe 3, pp , July-Septembe, 7. SSN Tite: Diect Toque Contol fo nduction Moto Uing ntelligent Technique Auteu: Riad Toufouti, Salima Meziane & Hocine Benalla 5. ACTA Electotechnica et nfomatica, Volume 7, Numbe 1 pp. -8, 7. SSN Tite: Diect Toque Contol Stategy of nduction Moto Auteu: Riad Toufouti, Salima Meziane & Hocine Benalla. Publication Nationale 1. COST Communication Science et Technologie, N 6, pp. -8, 7. Janvie 8. SSN Tite: Coection d ondulation du couple et de flux de la DTC d une machine aynchone Auteu: Riad Toufouti, Salima Meziane & H. Benalla. Communication ntenationale 1. Wold Confeence on Enegy fo Sutainable Development: Technology Advance and Envionmental ue, Caio, Egypt, Decembe 6-9, 4. Tite: DTC Modifie D un Moteu Aynchone Auteu: Toufouti Riad, Meziane Salima & Benalla Hocine 3

5 . Wold Confeence on Enegy fo Sutainable Development: Technology Advance and Envionmental ue, Caio, Egypt, Decembe 6-9, 4. Tite: Contôle Diect du Couple de la Machine Aynchone Alimentée pa un Onduleu de Tenion Toi-Niveaux Auteu: Toufouti Riad, Meziane Salima & Benalla Hocine. 3. PCM 5 ntenational Confeence Powe Electonic ntelligent Motion, Powe Quality / Enegy Management June 7 9, 5 in Nünbeg, Gemany Tite: A Modified Diect Toque Contol Stategy fo Flux And Toque Ripple Reduction fo nduction Moto Dive Auteu: Toufouti Riad, Benalla Hocine & Meziane Salima. 4. SSD 7 Fouth ntenational confeence on Sytem, ignal & Device,Volume : Confeence on Powe Electical Sytem Hammamet, Tuniia Mach 19-, 7 Tite: The pace ecto modification fo diect toque contol of induction moto Auteu: Toufouti Riad, Meziane Salima, Hocine Benalla & Fateh Mehazem. Communication Nationale 1. CEEA 6 Conféence ntenationale u l électotechnique et e Application, Sidi Bel Abbe, -3 Mai 6. Tite: Etude compaative ente la DTC deux-niveaux et la DTC toi-niveaux de la machine aynchone Auteu: Salima.Meziane, Riad Toufouti & H. Benalla. 4

6 Paamète du Modèle R R L L M J p Réitance tatoique. LSTE DES SYMBOLES Réitance otoique. L inductance pope d une phae tatoique. L inductance pope d une phae otoique. La mutuelle inductance ente phae tatoique et otoique Moment d inetie du oto Nombe de paie de pôle Vaiable électique et mécanique de la machine E Tenion continue à l entée de l onduleu V La tenion tatoique Le couant tatoique Le couant otoique Le flux du tato Le flux du oto La pulation tatoique La pulation mécanique l La pulation de gliement L angle électique ente le oto et le tato l L angle électique ente l axe d et le oto. L angle électique ente l axe d et le tato Coefficient de dipeion de Blondel σ = 1 M L L T L = La contante de temp otoique R L La contante de temp tatoique T = R γ l angle ente le vecteu flux tatoique et otoique Couple de chage C ndice a, b, c Vaiable expimée dan le epèe fixe tiphaé d, q Vaiable expimée dan le epèe (d,q) tounant à la vitee ynchone, Vaiable expimée dan le epèe fixe biphaé (,) Vaiable de commande et de égulation T e La péiode d'échantillonnage K P, K Le gain popotionnel et intégal de l etimateu P Le couple etimé Ĉ e ˆ C e η fc Le flux etimé Le couple de éféence Le flux de éféence Le pa d'appentiage La féquence de commutation 5

7 ABRÉVATONS MAS FOC FOC DTC DSC SVM PWM GBT GTO ANN MLP FNN FLP ML RN LF RLF DTNC DTFC DTNFC ANFS Machine aynchone Aconyme de ndiect Field oiented contol Aconyme de Field oiented contol Aconyme de Diect toque contol Aconyme de Diect elf contol Aconyme de Space vecto modulation Aconyme Pule with modulation Aconyme inolated gate bipola tanito Aconyme Gate Tun Off Aconyme atificial neual netwok Aconyme Multi laye Pecepton Aconyme Fuzzy neual Netwok Aconyme Fuzzy logic poceo Modulation pa lageu d impulion Réeaux neuone Logique floue Régulateu pa logique floue Commande neuonale diecte du couple Commande floue diecte du couple Commande Neuo-Floue diecte du couple Contôleu d inféence Neuo Floue Adaptatif 6

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9 Sommaie NTRODUCTON GENERALE CHAPTRE 1 ETAT DE L ART DE LA COMMANDE DRECTE DU COUPLE DE LA MACHNE ASYNCHRONE ntoduction Commande Scalaie Commande Vectoielle Commande Diecte de Couple Caactéitique Généale d une Commande Diecte de Couple Avantage de la Commande Diecte de Couple nconvénient de la Commande Diecte de Couple Le DSC (Diect Self Contol) Technique d amélioation de la DTC Réumé de l état de l at de tatégie de commande pou le machine électique Point de Note contibution CHAPTRE MODELSATON ET COMMANDE VECTORELLE DE LA MACHNE ASYNCHRONE ntoduction Deciption Du Moteu Aynchone A Cage Poblème Poé Pa Le Moteu Aynchone Hypothèe Simplificatice Modéliation De La Machine Aynchone Équation électique Equation Magnétique Modèle de Pak Modèle Expimé Dan Le Repèe (d,q) Lié Au Champ Tounant Modèle Expimé Dan Le Repèe (d,q) Lié Au Stato Modéliation De Onduleu De Tenion Vecteu Tenion Et Séquence De Niveaux De Phae D un Onduleu A -Niveaux Stuctue de ML La Commande Vectoielle De Machine Aynchone Découplage De La Commande Selon L'oientation Du Flux Analogie avec le moteu à couant continu Etude de Méthode Diecte et ndiecte du Contôle à Flux Rotoique Oienté Le contôle diect Le contôle indiect Concluion u le méthode de contôle diect et indiect à flux otoique oienté Concluion CHAPTRE 3 COMMANDE DRECTE DU COUPLE DE LA MACHNE ASYNCHRONE ntoduction Le Commande En Amplitude Pincipe De La Commande DTC Et DSC Contôle Diect Du Couple Contôle du flux tatoique Contôle du couple électomagnétique Etimation Du Flux Statoique Et Du Couple Electomagnétique Etimation du module et du ecteu poition du flux tatoique Etimation du couple électomagnétique Réglage Du Flux Statoique Et Du Couple Electomagnétique Péentation Et Utiliation Du Module De Simulation En Matlab/Simulink nfluence de Bande d'hytééi de Compaateu Effet de la bande d'hytééi du compaateu de flux Effet de la bande d'hytééi du compaateu de couple Contôle Vectoiel Diect Du Flux Statoique : DSC Concluion

10 CHAPTRE 4 AMELORATON DES PERFORMANCES DE LA DTC DE LA MACHNE ASYNCHRONE ntoduction Etude du Régime Tanitoie et établi du flux tatoique Etabliement Simultané Du Flux Et Du Couple Phénomène d ondulation du flux tatoique Fin D établiement Du Flux Avec Un Couple Etabli Etude De L influence Du Teme Réitif Coection De Ondulation Du Flux Le Mode de Décalage de Zone Effet De La Vaiation De Réitance Statoique Su La Commandé DTC nfluence de la vaiation de la éitance tatoique Etimation et compenation de la vaiation de la éitance tatoique Amélioation De Pefomance De La DTC Le contôle diect du couple modifie Le contôle diect du couple douze ecteu Contôle diect du couple baé u la modulation vectoielle Modèle appoximatif de la machine Contôle du flux et du couple DTC D une Machine Aynchone Alimentée Pa Onduleu 3 Niveaux Onduleu Multi-niveaux Topologie D onduleu Multiniveaux Péentation de L onduleu de Tenion Toi Niveaux DTC de la Machine Aynchone Alimentée pa un Onduleu 3- Niveau Concluion CHAPTRE 5. DTC DE LA MACHNE ASYNCHRONE BASE SUR LES TECHNQUES NTELLGENTES ntoduction Le Réeaux De Neuone Le Réeaux De Neuone Atificiel Neuone fomel Pecepton multicouche Commande neuonale diecte du couple (DTNC) Logique Floue Définition de la Logique Floue Commande Pa Logique Floue Pincipe généaux d'une commande pa logique floue Fuzzification Bae de ègle et définition Défuzzification Commande Floue diecte du couple (DTFC) Le Réeaux de Neuone Flou Le Difféente appoche de FNN Commande Neuo-floue diecte du couple (DTCNF): Contôleu d inféence Neuo Floue Adaptatif (ANFS) Commande diecte du couple baée u le éeaux Neuo Floue Adaptatif Concluion Concluion Généale Annexe A Annexe B Annexe C Annexe D Bibliogaphique

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12 ntoduction Généale.. Depui le début de année 196, la machine à couant continu occupe une place pépondéante dan le domaine de aeviement de poition de péciion [1]. Néanmoin, ce type d actionneu péente de inconvénient majeu de pa on coût élevé, e limitation en puiance et en vitee de otation etc. Pa la uite, la machine aynchone bénéficia d une attention paticulièe dan le intallation indutielle modene, pou pluieu aion, notamment : on faible coût, a mae éduite, a obutee et a implicité de fabication et d'entetien. Cette implicité 'accompagne toutefoi d'une gande complexité phyique, liée aux inteaction électomagnétique, mécanique,.etc. D'aute pat, à la difféence du moteu à couant continu où il uffit de faie vaie la tenion d'alimentation de l'induit pou faie vaie la vitee, le moteu aynchone néceite l'utiliation de couant altenatif de féquence vaiable. L'un de pincipaux poblème était lié à l'onduleu devant fonctionne en commutation focée. La machine aynchone a donc longtemp été utiliée eentiellement à vitee contante, faute de pouvoi maîtie convenablement la dynamique de l'enemble moteu-chage. L'appaition de thyito GTO et, pa la uite, de tanito GBT a pemi le développement d'onduleu à ML pefomant, fiable et à faible coût. Le poblème de l'alimentation étant patiquement églé le tatégie de commande ont pu ête implantée dan de condition atifaiante. Toutefoi, la commande de la machine aynchone ete complexe pa le développement théoique mi en oeuve et la difficulté à identifie cetain paamète en temp éel (obevateu en boucle femée). Noton pa ailleu que la commande vectoielle impoe généalement le pilotage d un convetieu de puiance à tave un modulateu de puiance. On pale alo de technique de Modulation de Lageu d mpulion (ML). Depui, de nombeue application technologique ont pu ête développée et éaliée dan de ecteu indutiel comme la taction feoviaie, le domaine de machine-outil et denièement le véhicule électique. Cependant cette tuctue néceite, en généal, la mie en place d un capteu u l abe pou la connaiance d une gandeu mécanique [5]. De plu elle ete tè enible aux vaiation de paamète de la machine, notamment celle de la éitance otoique, qui ont délicate à identifie en cou de fonctionnement [6]-[13]. Pou cela, beaucoup d'algoithme et aute aangement ont été développé pou pende en compte ce vaiation de paamète de la machine dan la commande [7]-[13]. Néanmoin, ce aangement augmentent la complexité et le coût de ytème. 11

13 ntoduction Généale.. Le méthode de contôle diect de couple (DTC: Diect Toque Contol) de machine aynchone ont appaue à la fin de année 198, concuençant le méthode de commande vectoielle. Au contaie de ce denièe, qui ont baée u de fomalime mathématique pointu mai igoueux[7], le technique de contôle diect étaient à leu oigine baée u une connaiance qualitative et implifiée du compotement de la machine[5]. Souvent, le action de églage étaient entepie en ecouant à de imple compaateu à hytééi et de tableaux de localiation [6,5]. L implémentation de ce algoithme était donc plu imple, à une époque où le moyen infomatique ne ceaient de pogee en puiance et en vitee. Le avantage déteminant attibué aux technique DTC claique (dynamique, obutee, facilité d implémentation, pefomance aux faible vitee) ont néanmoin conte balancé pa l utiliation d un compaateu à hytééi échantillonné ; pa pincipe, le compaateu conduit à un fonctionnement à féquence de commutation vaiable qui augmente le ique d excitation de éonance mécanique ou acoutique. L échantillonnage à féquence finie e taduit pa un dépaement peudo-aléatoie de la bande d hytééi ; d aute pat à l influence de vaiation de la éitance tatoique de la machine aynchone et due généalement à la vaiation de la chage et de la tempéatue du milieu ambiant. Elle vaie patiquement d'une manièe iégulièe pendant le fonctionnement, cette vaiation povoquant une eeu d'etimation du flux tatoique et du couple, ce qui peut caue l'intabilité de la DTC pa l'application de équence non confome à l'état de l'entaînement [54]. Pou cela, nou allon développe pluieu technique d amélioation de pefomance de la DTC dan ce manucit qui compote cinq chapite: Dan le pemie chapite nou paeon en evue le pincipale tatégie du type contôle diect claique et de deuxième généation que nou jugeon le plu epéentative de l état de l at actuel. Dan le deuxième chapite, nou commenceon pa la modéliation du ytème machine aynchone onduleu. Dan la pemièe patie on donnea la epéentation mathématique de la machine aynchone dan un éféentiel tiphaé avant d utilie la tanfomation de Pak pou éduie a epéentation à de éféentiel biphaé. Dan la econde patie on pocèdea à la modéliation de l onduleu deux niveaux. Dan la toiième patie on expoea le pincipe de la commande vectoielle de machine aynchone, en e limitant plu paticulièement à la commande indiecte à 1

14 ntoduction Généale.. flux otoique oienté appelée FOC (ndiect Field Oiented Contol). On décia le pincipale tuctue néceaie pou le contôle de couant, le calage du éféentiel et le contôle de flux otoique. Dan la pemièe patie du toiième chapite, nou développon le pincipe de commande en amplitude de la MAS avec un intéêt paticulie au contôle diect du couple, noyau de note thème. Pou cette tatégie de commande, nou expliqueon le pincipe de églage du flux et du couple électomagnétique en e baant u le modèle dicet de l onduleu de tenion à deux niveaux et en utiliant le vecteu de tenion généé. La deuxième patie de ce chapite et detinée à l étude de l'effet de bande hytééi u le pefomance de la commande DTC. On teminea pa l étude du contôle vectoiel diect du flux tatoique [Diect Self Contol (DSC)]. Au quatième chapite, nou définion quelque tatégie d amélioation de la DTC. Dan la pemièe patie, on étudiea le fonctionnement en égime tanitoie magnétique. On analyea le poblème lié à l établiement de gandeu flux et couple. Pa la uite, on développea une étude de fonctionnement en égime magnétique établi. Plu paticulièement, on analyea l influence du teme éitif u le contôle du couple. On étudiea également l évolution du couple, on poua aini eleve le défaut de pogeion du couple, qui appaaient à bae vitee, où nou péenton une méthode de compenation de ce effet à l aide d une fonction de décalage de zone de poition du flux tatoique. Pa la uite on péente l'effet de vaiation de la éitance tatoique u le pefomance de la DTC ; cette étude a été accompagnée pa une méthode d'etimation de la éitance tatoique pou compene convenablement cette vaiation et amélioe la obutee de la commande DTC. Afin de umonte le inconvénient du DTC, nou allon étudie quelque amélioation de la DTC claique comme la DTC modifiée, DTC 1 ecteu et la DTC baée u ML vectoielle. En fin de chapite, on péentea l'utiliation de onduleu multi niveaux qui pemet d obteni le gand nombe de vecteu de tenion, afin d'amélioe le contôle de flux et du couple et de éduie la féquence de commutation. Le cinquième chapite ea conacé à développe quelque technique intelligente pou amélioe le pefomance dynamique de la commande diecte du couple, ce méthode conitent à emplace le compaateu claique et la table de élection appliqué au DTC de la machine aynchone pa un contôleu baé u le éeaux 13

15 ntoduction Généale.. neuone, la logique floue et neuo-flou, pou conduie le flux et le couple ve leu valeu de éféence duant une péiode de temp fixe. Cette évaluation et obtenue en utiliant l eeu du couple électomagnétique, l eeu du module et l angle du vecteu flux tatoique. Enfin, nou concluon cette thèe en péentant le pepective quant à la pouuite de ce tavaux qui peuvent ête enviagée. 14

16 ETAT DE L ART DE LA COMMANDE DRECTE DU COUPLE DE LA MACHNE ASYNCHRONE 15

17 CHAPTRE.. 1. ETAT DE L ART DE LA COMMANDE DRECTE DU COUPLE DE LA MACHNE ASYNCHRONE 1.1. ntoduction L'hitoie de moteu électique emonte juqu'à 18, quand Han Chitian Oeted a découvet l'effet magnétique d'un couant électique. Un an apè, Michael Faaday a découvet la otation électomagnétique et a contuit le pemie moteu pimitif de couant continu. Faaday pa la uite en 1831 a découvet le phénomène électomagnétique [1]. Dan le année 196, la machine à couant continu occupe une place pépondéante dan le domaine de aeviement de poition et de péciion [5,1]. En effet, à cette époque, le indutiel ont mi au point de aeviement analogique pefomant qui ont contibué à ende patiquement incontounable ce type de moteu pendant pluieu décennie dan la plupat de intallation indutielle que ce oit en obotique ou en commande numéique de machine-outil[5,6,1]. Néanmoin, ce type d actionneu péente de inconvénient de pa on pix élevé (tant en fabication qu en maintenance). A caue de on collecteu, a puiance et a vitee de otation e etouvent limitée, a enibilité vi à vi de envionnement cooif et on incapacité à tavaille en atmophèe exploive [4,1]. Aui, ce limitation d emploi ont poué la echeche ve d aute olution faiant inteveni de actionneu moin coûteux et plu obute, à avoi le machine à couant altenatif, en paticulie le moteu aynchone. Aini, le pogè effectué en électonique de puiance et de commande ont pemi de emplace le machine à couant continu pa de machine à couant altenatif dan le domaine de la vitee vaiable [6-4]. On peut cite à tite d exemple la taction électique (tain à gande vitee) où le moteu à couant continu de année 197 ont été emplacé pa de moteu ynchone autopiloté dan le année 198, pui pa de machine aynchone en ; cette mutation et également poduite u le méto et d'aute moyen de tanpot [,4]. De ce étude u le entaînement électique à vitee vaiable, il eot que le moteu à cage et de loin le moin coûteux en teme de contuction et d entetien, et le plu électomécaniquement obute de moteu altenatif [3,4,]. Cependant, le développement de tatégie de commande pou contôle la vitee de moteu aynchone et péalablement néceaie, pace que contaiement à leu tuctue mécanique qui et obute et imple, a tuctue mathématique et tè complexe (ytème multi vaiable et non linéaie) [8,1,13]. C'et dan ce domaine qu un effot conidéable de echeche a été éalié. L'objectif étant de touve de tatégie de commande de vitee convenable aux moteu aynchone. 16 5

18 Depui quelque décennie pluieu tatégie de commande ont été développée et amélioée : 1.. Commande calaie C'et l'une de pemièe commande, développée pou la vaiation de moteu aynchone. Dan cette commande, on intéee qu à l'amplitude de la vaiable contôlée et non à a phae. On conidèe dan la littéatue deux type de commande calaie [7,8,1] : La commande calaie indiecte où le flux magnétique et contôlé en impoant le appot amplitude / féquence de la tenion ou du couant. La commande calaie diecte où le flux magnétique et contôlé à pati de on etimation ou de a meue. La deuxième méthode et plu difficile à mette en patique et nou nou intéeon uniquement à la pemièe appoche qui de pa a implicité et la plu utiliée [5,1][19]. En égime tatique, le couple et déteminé elon l équation (1.1) Ce = Etat de l at de la DTC de la machine aynchone.. p ω R 3 (1.1) Cette équation monte que i le flux et maintenu contant, on obtient une caactéitique de commande appelant celle de la machine à couant continu où le ôle du couant d induit et joué pa la pulation otoiqueω. En négligeant la chute de tenion ohmique dan le bobinage tatoique, le flux otoique peut ête maintenu contant i la tenion tatoique ete popotionnelle à la pulation [1]. Cette hypothèe n et plu applicable aux bae vitee et il faut alo impoe à la tenion tatoique une valeu plu gande que celle que donneait un appot (tenion/pulation) contant [3,6,1]. Figue 1.1. Schéma claique de commande calaie La figue (1.1) epéente le chéma claique de commande calaie indiecte [7] L eeu e de vitee pemet pa l'intemédiaie d un égulateu P de génée la pulation de gliement 17 6

19 CHAPTRE.. ω l qui ajoutée à la pulation otoique ω donne la pulation ω de tenion tatoique [5]. De cette denièe, on détemine la tenion tatoiquev en utiliant la loi (u/f ) contante [3,5]. Cette tatégie de contôle pemet d obteni de bon éultat pou de conigne de vitee eniblement contante. Pa conte, pou un démaage ou pou une inveion de en de otation de la machine, le flux ocille fotement avec de gande amplitude et on module et vaiable duant le égime tanitoie [7,8].Ceci explique pouquoi le elation utiliée pou calcule cette commande ne ont valable que dan le égime pemanent. Ce ocillation vont e epoduie u la qualité du couple et la vitee, dégadant aini le pefomance en égime tanitoie de la machine. Ce type de commande n et donc employé que pou de application où la vaiation de vitee n'et pa gande telle en pompage ou en ventilation [3,7]. Aini, ce type de contôle et inadapté loque l on veut éalie un poitionnement de la machine tel en obotique ou en commande numéique de machine outil. l faut alo faie appel à de technique plu adaptée telle que la commande vectoielle, objet de note étude Commande vectoielle (FOC) ntoduite pa Blachke [9] en 197, elle contitue une évolution hitoique pou la commande de la machine aynchone. Cette technique conite à amene le compotement de la machine aynchone, du point de vue vaiation de vitee, à celui du moteu à couant continu [-6], en effectuant un découplage ente le flux et le couple électomagnétique [1-17]. Cette tatégie de commande utilie deux boucle de égulation pou contôle en même temp le couple et flux voi la figue1.. Figue. 1.. Stuctue généale du contôle diect à flux otoique oienté Sa péciion et tè bonne pou le couple et la vitee. Toute méthode a de inconvénient et ceux de cette technique ont le volume de taitement infomatique néceaie pou on implémentation et l'obligation de faie une bonne identification de paamète du moteu [15-1][19]. Elle péente aui une gande enibilité aux vaiation de ce paamète, 7 18

20 Etat de l at de la DTC de la machine aynchone.. notamment à celle de la éitance otoique dont la valeu change eniblement avec la tempéatue [15,]. Toute difféence ente le paamète utilié pa l algoithme de la commande vectoielle, et le paamète éel du moteu e taduit pa de eeu dan le valeu de otie du flux et du couple, ce qui entaîne l augmentation de pete dan la machine et la diminution de pefomance du ytème à contôle [8,1] Commande diecte de couple (DTC) Au milieu de année 8, une tatégie de contôle diect du couple de la machine aynchone appaue dan la littéatue ou le nom de DTC (Diect Toque Contol), a été popoée pa. Takahahi et T. Noguchi [8,37] et de Depenbock [41]. Le pincipe de la commande DTC et la égulation diecte du couple de la machine, pa l application de difféent vecteu tenion de l onduleu, qui détemine on état. Le deux vaiable contôlée ont : le flux tatoique et le couple électomagnétique qui ont habituellement commandé pa de compaateu à hytééi [5-4]. l agit de mainteni le gandeu de flux tatoique et le couple électomagnétique à l intéieu de ce bande d hytééi. La otie de ce égulateu détemine le vecteu de tenion optimal à applique à chaque intant de commutation [3,3]. L'utiliation de ce type de égulateu uppoe l'exitence d'une féquence de commutation dan le convetieu vaiable néceitant un pa de calcul tè faible [4]. Figue Synoptique de la commande DTC claique -niveaux Dan une commande DTC il et péféable de tavaille avec une féquence de calcul élevée afin de éduie le ocillation de couple povoquée pa le égulateu à hytééi [39]. Cette condition e taduit pa la néceité de tavaille avec de ytème infomatique de haute pefomance afin de atifaie aux containte de calcul en temp éel. 19 8

21 CHAPTRE Caactéitique généale d une commande diecte de couple La DTC et baée u la élection de vecteu optimaux de commutation de l onduleu. La commande indiecte de intenité et tenion tatoique de la machine. L obtention de flux et de couant tatoique poche de fome inuoïdale. La épone dynamique du couple de la machine et tè apide. L exitence de ocillation de couple qui dépend de la lageu de bande de compaateu à hytééi. La féquence de commutation de l onduleu dépend de l amplitude de bande d hytééi Avantage de la commande diecte de couple [33][4] l n'et pa néceaie de faie la tanfomation de coodonnée, ca le couant et le tenion ont dan un epèe lié au tato. Utilie un modèle implifie du moteu à induction. l n exite pa de bloc qui calcule la modulation de la tenion (ML). l n et pa néceaie de faie un découplage de couant pa appot aux tenion de commande, comme dan le ca de la commande vectoielle. Elle exige deux compaateu à hytééi et un contôleu de vitee du type P, tandi dan la commande vectoielle exige égulateu P et un modulateu de PWM. l n et pa néceaie de connaîte avec une gande péciion l angle de poition otoique, ca eule l infomation de ecteu dan lequel e touve le vecteu de flux tatoique et néceaie. La épone dynamique du couple et tè apide. Robutee vi-à-vi de vaiation paamétique. Poibilité d applique le algoithme du ytème avec de cate d'acquiition nconvénient de la commande diecte de couple [33] L exitence de poblème à bae vitee (influence du teme éitif). La néceité de dipoe de etimation de flux tatoique et du couple. L exitence de ocillation de couple. La féquence de commutation n et pa contante (utiliation de égulateu à hytééi), ce qui conduit à un contenu iche en hamonique qui fait augmente le pete et amène à de buit acoutique et de ocillation de couple pouvant excite de éonance mécanique. Cependant, la DTC et une commande qui et baée u l etimation du flux tatoique et du couple électomagnétique. Seule la vaiation de la éitance du tato, due aux changement de la tempéatue ou le fonctionnement à de vitee de otation petite, 9

22 Etat de l at de la DTC de la machine aynchone.. dégadent le pefomance de la commande DTC [5,8]. Cette vaiation peut ête apide et aléatoie, c et pouquoi, l implantation d un etimateu de cette éitance ou un obevateu d'état et plu que néceaie, afin de coige ou d etime le flux et le couple [54-59]. Pou éoude l'inconvénient pécédent, dive tavaux ont été fait dan lequel ont vié de aangement et de algoithme pou conidée la vaiation de la éitance tatoique [55]. Dan [45] appaaît un nouvel aangement de DTC qui utilie la toiième hamonique de la tenion tatoique pou etime le flux et le couple en péence de la vaiation de la éitance tatoique, cet aangement a donné une bonne amélioation dan le fonctionnement, avec un démaage apide et obute du moteu à vitee éduite Contôle diect du flux tatoique (DSC) La tatégie de contôle diect du flux tatoique (DSC : Diect elf contol) a été développée en Allemagne pa M. Depenpock en 1985 [41] et a été mie en oeuve pou de vaiateu de gande puiance à GTO, paticulièement detiné aux ytème de taction de gande puiance avec une féquence de commutation faible. Son pincipe de bae coepond à une veion implifiée de celui du DTC ca, bien que le couple et aui égulé pa un égulateu hytééi imple bande, le flux tatoique ne l et pa [4]. En effet, le flux tatoique a une allue tapézoïdale dan le temp, au lieu de e appoche d une inuoïde comme dan le ca du DTC. Le pincipe de églage conite à faie évolue le vecteu flux tatoique elon une tajectoie dan le plan (αβ) qui et définie à pioi comme étant un hexagone de ayon égal au flux de éféence en diphaé [43]. Tou le avantage annoncé pou la tatégie DTC ont aui valable pou la tatégie DSC. L amplitude du flux tatoique n et égulée qu à ix intant dan la péiode fondamentale, qui coepondent aux intant où le vecteu flux tatoique change de ecteu angulaie (º, 6º,1º.. etc.). l y a aini un nombe minimal de commutation equie pou égule le flux tatoique, et la majoité de commutation event à impoe le couple à l intéieu de a bande d hytééi, ce qui pemet d obteni une féquence de commutation de l onduleu minimale [43]. Ce fait a été annoncé comme un avantage majeu loque l on pétend vie de application de fote puiance Technique d amélioation de la DTC Au cou de année 9, on a pu aite à une acceptation plu élagie de loi de contôle diect utout pa la communauté cientifique [6-75], mai aui pa l indutie. Pendant le denièe année, de nouvelle tatégie de contôle diect ont appaue. Ce tatégie, que nou claifion de contôle diect de deuxième généation ont aui baée 1 1

23 CHAPTRE.. u le même pincipe de égulation intantanée du couple et du flux tatoique et la détemination diecte de ignaux de commande de l'onduleu. Cependant, au contaie de loi claique, le loi de contôle diect deuxième généation exigent une implémentation numéique u une plate-fome de commande haute pefomance compotant, ente aute, de micopoceeu ou micocontôleu numéique. Généalement, leu algoithme de commande pévoit l utiliation d un modèle appoximatif de la machine, valable pendant de temp cout, et qui contibue à la foi au choix optimié de vecteu tenion et au calcul de temp de leu application dan la péiode d échantillonnage. Le égulateu à hytééi ont ouvent entièement écaté, et l action de commande elative à une péiode d échantillonnage donnée et achevée dan le en de minimie ou annule le eeu de couple et flux en fin de péiode (commande pédictive en un eul coup). Quelque une pévoient l utiliation d une modulation vectoielle «SVM : Space Vecto Modulation», L une de pemièe tatégie de contôle diect deuxième généation popoé en [71-75], fait appel à un modèle appoximatif de la machine, valable en égime pemanent, et à un module ML vectoielle, afin de pocéde à une égulation pédictive du couple et du flux. Dan [71], le auteu popoent un algoithme baé u la modulation du vecteu de l'epace SVM pou commande le couple électomagnétique du moteu à induction. Cette technique offe une féquence de commutation fixe, elle amélioe la épone dynamique et le compotement tatique de la DTC. Le auteu dan [7-73] vient de nouvelle technique de la modulation baée u le vecteu de l'epace pou éduie le buit acoutique, le ondulation du couple, flux, couant, et de la vitee pendant le égime pemanent, aini le flux et le couple ont etimé pou amélioe le couant et la tenion du modèle de l obevateu de vitee. En 1997 un nouveau mode de contôle diect du couple moyen appelé «DMTC : Diect Mean Toque Contol» a été étudié initialement, pa E. Flach [46]. La méthode conite à applique deux vecteu tenion à chaque péiode d échantillonnage afin d impoe un couple moyen dan la péiode égal au couple de éféence. Le pemie étant un vecteu tenion actif et le econd un vecteu tenion nul. Le vecteu tenion actif ea appliqué à la machine pendant une patie de la péiode d échantillonnage t k com. Une tatégie de commande tè imilaie a été aui popoée pa Kang [6], dan ce ca, un eul vecteu tenion actif et choii diectement à pati d un tableau de localiation, en 11

24 fonction du ecteu angulaie, du igne de l eeu de couple et du flux tatoique à l intant t k com, de manièe identique à celle du DTC claique. Ce vecteu actif ea enuite appliqué à la machine pendant une patie initiale de la péiode, de duéet k com, et un vecteu nul pendant la deuxième patiete k t com, Le calcul de t k com e fait aui à l aide d un modèle pédictif de la machine, mai dan ce ca de manièe à minimie l eeu de couple pendant la péiode d échantillonnage. Ce tatégie ont été développée dan le but de minimie l ondulation de couple et de pemette une maîtie de la féquence de commutation moyenne de l onduleu. Afin de emédie à cetain de ce inconvénient, une nouvelle veion amélioée de la pemièe tatégie DMTC a été popoée pa le même auteu [47], où il péélectionne toi vecteu tenion actif au lieu de deux. Pou chaque vecteu actif on calculea enuite le temp de commutation, t et un égulateu de flux en chagea pa la uite de électionne le k com vecteu actif définitif, qui ea le plu favoable du point de vue de la égulation du flux. Ceci doit à pioi éoude le poblème d intabilité locale dan la égulation du flux lo de paage d un ecteu angulaie à l aute. Néanmoin, il n et pa encoe aué que la déivée de couple iue du vecteu actif choii oit de igne contaie de celui iu du vecteu nul, afin qu une olution poible exite pou le calcul de l algoithme et ignificativement augmentée. t k com. D aute pat, la complexité de Une tatégie de commande déignée de contôle vectoiel du couple a été popoée pou la pemièe foi en 1997, pa Cio Attaianee [3] et Heath Hofmann [4] faiant écemment l objet d une diffuion plu élagie, il agit aui d utilie un modèle de la machine capable de pévoi l état électomagnétique de la machine (couple et flux) en fin de péiode, afin de pocéde à une action de églage pédictive. Dan le ca péent, le modèle pédictif de la machine utilié coïncide avec l obevateu de flux. Comme dan le ca de tatégie DMTC, l action de commande conite ouvent à choii deux vecteu tenion à chaque péiode d échantillonnage. Le temp de commutation, t k com, et calculé pou annule l eeu de couple en fin de péiode et de minimie celui du flux. Cependant, i une modulation ente le deux vecteu tenion ne pemet pa d annule l eeu de couple, on choiia dan ce ca un eul vecteu tenion qui ea appliqué pendant toute la péiode. Ce vecteu ea celui qui minimie l eeu de couple an dépae la valeu maximale du couant tatoique. Etat de l at de la DTC de la machine aynchone.. 3 1

25 CHAPTRE.. Au contaie de technique DMTC, la ou le vecteu tenion ont choii exhautivement pami toute le ept poibilité. Bien entendu, il agit ici de l utiliation d un onduleu à -niveaux, ce qui end cette tâche éaliable. La containte de choii focément un vecteu nul n exite pa. Ceci doit à pioi élimine le ique de ondulation de couple non maîtiée dan cetain point de fonctionnement du plan couple vitee, attibué aux tatégie DMTC. En evanche, aucune containte n exite dan l algoithme pemettant de fixe de limitation au niveau de commutation ente vecteu tenion, conduiant aini à une maîtie de la féquence de commutation. Dan [7,77] fait popoé une méthode de contôle diect du couple de la machine aynchone baé u la modulation de lageu d impulion (PWM) avec féquence de commutation fixe. La méthode popoée contôle le couple et l amplitude flux tatoique et développée en temp dicet pou pemette la mie en œuve, u de micocontôleu ou le cate d acquiition (DSP). Le pojet de contôle néceite la connaiance de quelque paamète du moteu à induction, à avoi la éitance tatoique et l inductance de fuite. Le contôle diect du couple en temp dicet «DT_DTC : Dicete Time Diect Toque Contol», exige de meue de tenion et de couant pou calcule la fem. Le auteu utilient le imulation et le eai expéimentaux pou valide la méthode popoée. Dan [66,67] le auteu ont monté que la DTC claique péente un nombe de vecteu de tenion appliqué à la machine et faible, ce caue de ondulation indéiable du couple, flux et de couant. Ce tavaux montent qu une amélioation de pefomance, peuvent ête obtenue en utiliant un nouvel algoithme de la DTC, baé u la u l'application de la modulation de l'epace vectoiel (SVM) pou de intevalle de temp fixe. De cette manièe, une modulation dicète de l epace vectoiel «DSVM : Dicete pace vecto modulation» utiliant un compaateu de couple cinq niveaux pou poduie un nombe de vecteu tenion plu élevé. De imulation numéique et de eai expéimentaux montent une épone amélioée de couple et de flux avec féquence de commutation fixe. Dan le aticle [8,45], le auteu amélioent le compotement du DTC avec l'intoduction d'un ignal de haute féquence et de faible amplitude dan le contôleu de couple et de flux, avec lequel il ont obtenu de bon éultat. En oute, [39-4][6] le auteu péentent de nouvelle technique de la commande DTC avec féquence de commutation fixe. Le éultat obtenu montent le difféence exitante ente la DTC claique et ce nouvelle technique. Dan [39], l auteu a eayé de fixe la féquence de commutation avec la vaiation de la bande de l'hytééi du contôleu du couple et de flux. Alo que dan [4], l'eeu du couple et annulée pa l'utiliation de deux 413

26 Etat de l at de la DTC de la machine aynchone.. contôleu P, dont le otie ont compaée avec un ignal potant une féquence fixe, qui pemet de détemine ou limite la valeu éelle de la féquence de commutation de la DTC. L aticle [64] popoe un aangement imple de commande pédictive du couple et du flux pou diminue l'ondulation du couple et amélioe le défomation de flux dan le bae vitee de la (DTC) du moteu à induction. Le concept de vecteu vituel et péenté pou poduie une féquence commutation fixe et plu élevée de l onduleu PWM. En oute, la méthode «MRAS : Model efeence adaptive ytem» employée, dan le modèle modifié du flux otoique et appliquée pou etime la vitee de otation du moteu aynchone, ce qui peut éalie une commande avec une gande gamme de vitee. Concenant l'aangement de la DTC baée u l onduleu deux niveaux, beaucoup de tavaux exitent pou amélioe le compotement du DTC dan la gamme de faible puiance. Dan [37] appaaît une nouvelle méthode de DTC baée u deux onduleu à niveaux à thyito (GTO). Selon le plan de l'invetiement et de la tatégie de contôle, la féquence de commutation et éduite à 6% compaée au DTC claique dan le même condition d'exploitation. Mai cette technique popoée péente l inconvénient de l augmentation du pix et la taille du ytème, aini que l augmentation de pete. Dan [77], le auteu vient l application d'un convetieu en maticiel à la DTC il ont popoé une nouvelle méthode de contôle pou le convetieu maticiel qui pemet, ou la containte de l'unité facteu de puiance d'entée, la généation de vecteu de tenion equi pou mette en application à la commande diecte de couple (DTC) de machine aynchone. L'utiliation de cette méthode de contôle monte un bon aangement au DTC claique, et la combinaion de avantage de convetieu en matice avec celle de la DTC claique, pou obteni une commande avec de pefomance élevée pou de gande puiance. Dan [78], l auteu a employé de nouvelle tatégie pou la commande diecte du couple, pou le contôle de machine aynchone capable de minimie le émiion électomagnétique de conduit. Dan l aticle [79], a popoée une méthode pobabilite pou étudie le contenu d hamonique de la tenion dan la DTC du moteu aynchone. Le vecteu tenion à la otie l'onduleu et imulé avec un poceu aléatoie de ept valeu poible. Pui, la fonction d'auto coélation de vecteu tenion et calculée et a denité du pecte de puiance et obtenue, aini que l'effet de bande hytééi, paamète de la machine et la tenion continue d'onduleu u le pecte de la tenion du moteu a été étudié. L auteu péente de 5 14

27 CHAPTRE.. éultat de imulation et de eai expéimentaux pou confime la validité de la méthode popoée. Dan [8] le auteu e mettent à employe une tatégie de commande pa mode gliant «Sliding mode» en temp dicet de ote que le couple et le flux oient obute conte la vaiation de paamète de la machine. Le contôleu founient le tenion de éféence (V α,v β ) pou le applique au moteu à induction et aucun couant contôleu n et utilié. Toutefoi, contaiement à la plupat de technique de mode de gliant, le vecteu tenion de éféence et calculé pa un ytème vecteu PWM et une féquence de découpage fixe et utiliée. De Simulation et éultat expéimentaux ont péenté pou monte l'efficacité de la tatégie popoée. Dan [81], un aangement de la commande diecte de couple du moteu aynchone et popoé ; il utilie une onde imple de couant inéé côté continu de l'onduleu. Le but de cette popoition et de développe une commande à pix éduit mai avec un endement élevé de moteu à induction. L'aangement exploite un algoithme imple et obute pou econtuie le couant tatoique qui pemet d etime le flux et le couple du moteu. L'algoithme fonctionne en deux étape : pemièement, il pévoit le couant tatoique d'un modèle du moteu pui il ajute la péviion u la bae du couant meué côté C.C. le éultat expéimentaux ont péenté pou démonte la capacité du ytème à epoduie la pefomance de la DTC claique. Dan [8,87] un onduleu toi niveaux et appliqué au DTC, pou la éduction de ondulation du couple, mai l'inconvénient de cet aangement et le coût élevé. Elle ont tè utile paticulièement dan le commande de gande puiance. Dan l aticle [88], la commande diecte du couple (DTC) d un moteu à induction 5 phae a été développé pa le auteu. Dan cette nouvelle commande pa DTC, le couple a une épone apide avec faible ondulation du flux tatoique. Le nombe de vecteu tenion élevé de cette tatégie (3 vecteu), pemet d offi une gande ouplee dan le choix de état de commutation de l onduleu, donc le contôle de flux et du couple ont plu péci. Le éultat de imulation et expéimentation montent claiement de meilleue pefomance de la DTC, qui uggèent l application patique de la DTC à de moteu polyphaé. Dan [89], le auteu appliquent la DTC u une machine aynchone tiphaée double tato (dual ta induction moto), où le tato de la machine compote deux enemble de toi enoulement décalée patialement de 3 degé électique. Le éultat expéimentaux montent que cette tatégie pote pluieu avantage pa appot à la DTC claique tel que, 15 6