Evaluation des performances des commandes vectorielles de la machine à induction

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1 Revue de génie indutiel 211, 6, Revue de Génie Indutiel ISSN Evaluation de pefomance de commande vectoielle de la machine à induction Hamid Chaikhy *, ohamed Khafallah, Abdallah Saad, ouna E-Saadi, Khalid Chikh Ecole Nationale Supéieue d'electicité et de écanique (ENSE), Univeité Haan II, Caablanca, aoc * Auteu coepondant : chaikhy.hamid@gmail.com Révié et accepté : le 15 juin 211 / Diponible u Intenet : le 26 décembe 211 Réumé Dan cet aticle, nou allon pocéde à une compaaion détaillée de pefomance de deux technique de commande de la machine à induction : la commande diecte à flux otoique oienté (DFOC) et la commande diecte du couple (DC) en égime tanitoie et pemanent. Le élément théoique et le éultat de imulation ont péenté et dicuté. En égime pemanent, le ondulation du couant et du couple eont évaluée et compaée pou difféente valeu de vitee. En égime tanitoie, le but attendu et d évalue la méthode qui donne la meilleue épone dynamique. Abtact hi pape peent a compaative tudy on two contol method fo induction machine : diect field-oiented contol (DFOC) and diect toque contol (DC) in tanient and pemanent tate. he theoetical tudy and imulation eult ae peented and dicued. In pemanent egime, the fluctuation of the cuent and the toque have been evaluated and compaed fo vaiou peed value. In tanient tate, the objective i to chaacteie the method with egad to the bet dynamic epone. ot-clé : DFOC, DC, machine à induction Keywod : DFOC, DC, induction machine Intoduction La machine à induction connait un uccè coiant depui deux décennie en emplaçant pogeivement le machine à couant continu et ynchone dan de nombeue application indutielle et dan le tanpot. Ce uccè acqui pa la machine à induction explique pa a conception obute éduiant le fai de maintenance, pa on coût elativement moinde pa appot aux aute machine électique et également pa l augmentation de capacité de calcul de micopoceeu pemettant de éalie une commande pefomante. La commande vectoielle à flux otoique oienté DFOC (Diect Field-Oiented Contol) a été intoduite il y a longtemp, cetaine polémique donnent la patenité de cette théoie à Blondel. Le pemie développement théoique de la méthode du flux 23

2 Revue de génie indutiel 211, 6, oienté ont été éalié au début de année pa Blachke [1] et e application effective ont vu le jou dix an plu tad. Cependant, elle n'a pu ête implantée et utiliée éellement qu'avec le avancé en mico-électonique. En effet, elle néceite de calcul de tanfomé de Pak, évaluation de fonction tigonométique, de intégation, de égulation. Ce qui ne pouvait pa e faie en pue analogique, pa ailleu la commande vectoielle a pou objectif d égale le pefomance qu offe la commande d une machine à couant continu à excitation épaée où le couple et le couant pou impoe un couple ont découplé d une façon indépendante. La méthode de contôle diect de couple DC (Diect oque Contol) de machine à induction et initiée dan la deuxième moitié de année 8 pa akahahi et Depenbock [2, 3] comme concuentielle de la méthode claique, baée u une alimentation pa modulation de lageu d'impulion (LI) et u un découplage du flux et du couple moteu pa oientation du champ magnétique. La commande DC et caactéiée pincipalement pa une bonne épone dynamique du couple, une bonne obutee et une complexité moinde que la commande vectoielle. En evanche, on obeve une ondulation élevée du couple et du flux. outefoi, la tabilité de la épone et le découplage de la commande flux et couple ont beaucoup plu péci avec la commande DFOC. Aujoud hui, pluieu effot ont employé pou amélioe la commande DC pou éduie l ondulation du couple et fixe la féquence de commutation de l onduleu [4-6]. La pincipale difficulté de la mie en ouve de commande DFOC et DC de la machine à induction et liée au contôle du flux dan la machine, en aion de la difficulté de meue diecte et qui fait le ecou à on etimation. Cette denièe dépend du modèle de la machine à induction qui peut induie d impotant poblème de enibilité lié eentiellement aux incetitude de modéliation. Ce incetitude ont due aux vaiation de éitance tatoique ou otoique avec la tempéatue et l effet de peau et aux vaiation de inductance avec la atuation magnétique. Cette enibilité paamétique et liée à la natue de la tatégie de commande utiliée []. Pluieu echeche ont été conacée dan le denièe décennie à l étude et l amélioation de commande DFOC et DC, mai peu de publication ont abodé la compaaion de avantage et inconvénient [8-11]. Dan ce tavail nou allon péente une compaaion théoique et pa imulation de ce deux technique de contôle baée u dive citèe compenant le pefomance tatique et dynamique de la caactéitique de contôle de bae, aini la enibilité de chaque commande vi-à-vi de vaiation de paamète de la machine. Un tableau éumant la compaaion et péenté à la fin de cet aticle qui a pou objectif d aide au choix de la commande appopiée pou application pécifique donnée. odèle dynamique de la machine a induction Le équation mathématique de la machine à induction dan le epèe fixé au tato écivent: Equation de tenion tatoique et otoique: v R i R i d + = (1) d Equation de flux tatoique et otoique: ω = + j (2) = L i + i (3) 24

3 Revue de génie indutiel 211, 6, = L i + i (4) Equation mécanique de la machine : dω J = Pincipe de la commande DFOC f Ω l (5) La commande vectoielle à flux oienté a été développée pou contôle le couple en égime tanitoie. Le pincipe de découplage, dan la commande vectoielle de machine à couant altenatif, a été imaginé ve la fin de année 196. Hae (1969) a tout d abod popoé la méthode de commande indiecte pa flux oienté, pui Blachke (191) a popoé une théoie de commande dite commande diecte pa flux oienté (DFOC) [1]. Ce méthode pemettent d'aimile la machine à induction à une machine à couant continu. La Figue 1 epéente le chéma bloc de la commande DFOC de bae. Figue 1. Schéma bloc de la commande DFOC pou la machine à induction. L équation du couple électomagnétique dan le epèe D-Q et la uivante : avec P : le nombe de paie de pôle. ( i i ) La condition de l oientation du flux et : =. = p d q q d (6) L Pa conéquent, le équation de la commande DFOC deviennent : Pou le oto : q = d () p i = q (8) L = 1+ i d (9) 25

4 Revue de génie indutiel 211, 6, ω = i q = ω ω (1) avec : Pou le tato: * d * q did = σ L + Rid σlωiq + = di q σ L + Riq σlωid + L L L d ω (11) (12) 2 = ; σ = 1 R L L (13) Pincipe de la commande DC Depui que. Depenbock et I. akahahi ont popoé la commande DC de la machine à induction dan la moitié de année 8, elle et devenue de plu en plu populaie. La commande DC pemet de calcule le gandeu de contôle que ont le flux tatoique et le couple électomagnétique à pati de eule gandeu liée au tato et ceci an l'intevention de capteu mécanique. Le pincipe de la commande conite à mainteni le flux tatoique dan une fouchette. Le ynoptique de la commande DC et epéenté dan la Figue 2. Le flux tatoique équation uivante : où : Figue 2. Schéma ynoptique de la commande DC de la machine à induction. et le couple électomagnétique ont calculé à pati de ( ) ( ) 2 α + 2 β = (14) 26

5 Revue de génie indutiel 211, 6, L angle θ et calculé à pati de : t = ( R i ) α α α (15) t = ( R i ) α α α (16) = atg β θ (1) α [ i i ] = p α β β α (18) Le valeu etimée du couple et du flux tatoique ont compaée epectivement à leu valeu de éféence * et ; le éultat de la compaaion foment le entée de compaateu à cycle d hytééi. La élection du vecteu tenion appopié et baée u le tableau de commande (ableau 1.). Le entée ont le numéo du ecteu du flux et le otie de deux compaateu à hytééi. Sotie de compaateu à hytééi = 1 C = 1 = ableau 1. ableau de commande. Secteu C C C = +1 6 = 1 C = +1 = C C C = La Figue 3 monte le vecteu tenion utilié pa la commande DC. Figue 3. ecteu de tenion utiliée pa la commande DC où le flux et dan le ecteu 1. 2

6 Revue de génie indutiel 211, 6, Compaaion de pefomance tatique et dynamique Dan ce paagaphe, nou allon pocéde à une compaaion ente le pefomance de deux technique de commande: la commande diecte du couple DC et la commande á flux oienté diecte DFOC en égime dynamique et tatique. En égime pemanent, et pou de gandeu de éféence, le ondulation du couant et du couple eont évaluée et compaée pou difféente valeu de la vitee. En égime tanitoie, le but attendu et d évalue la méthode qui donne la meilleue épone dynamique (apidité an dépaement). Pou une compaaion jute ente le deux technique de commande, on doit impoe la même féquence moyenne de commutation de l onduleu pou le deux commande. Pou cela, un moyen imple conite à module le lageu de bande de égulateu à hytééi du couple et du flux pou avoi la même féquence moyenne de commutation de l onduleu que celle utiliée pa la commande DFOC. Le donnée de imulation ont éumée dan le ableau 2. Couple nominal 1 Nm ableau 2. Donnée de imulation. Féquence de commutation moyenne de onduleu 8 KHz Flux nominal 1 Wb itee nominale 144 t/min A. Pefomance en égime pemanent Le pefomance en égime tanitoie de deux technique de commande DFOC et DC ont compaée et évaluée au niveau de ondulation de couant tatoique. Pou cela l équation utiliée et définie pa : τ Iip m = ( iipa + iipb + iipc ) τ Le éultat obtenu pou le deux commande DFOC et DC ont éumé epectivement dan le tableaux ableau 3 et ableau 4. Le valeu de vitee conidéée ont 1 %, 5 % et 1 % de la vitee nominale et le valeu de couple ont 1 %, 5 % et % de la valeu nominale. ableau 3. Ondulation de couant tatoique (DFOC). 144 t/min 4 t/min 1 t/min 1 Nm,31 A,54 A,38 A 5 Nm,32 A,54 A,3 A Nm,33 A,53 A,35 A ableau 4. Ondulation de couant tatoique (DC). 144 t/min 4 t/min 1 t/min 1 Nm,52 A,85 A,8 A 5 Nm,53 A,84 A,9 A Nm,54 A,84 A,6 A D apè le éultat obtenu, on peut emaque que la commande DFOC et caactéiée pa de valeu faible de ondulation de couant tatoique en la compaant à la commande DC. Le fome d onde du couple, du couant tatoique et du pecte de hamonique du couant obtenu en utiliant la commande DFOC ont péentée dan le Figue 4 (a)- (c). Repectivement le Figue 5 (a)-(c) péentent le même gandeu en utiliant la (19) 28

7 Revue de génie indutiel 211, 6, commande DC. Ce éultat ont obtenu avec une vitee otoique de 144 t/min et une valeu du couple de 1 Nm. Figue 4.(a) Couant tatoique. (b) Couple. (c) Specte Figue 5.(a) Couant tatoique. (b) Couple c) Specte de hamonique du couant tatoique (DFOC) B. Pefomance en égime tanitoie de hamonique du couant tatoique (DC) Le pefomance en égime tanitoie de deux technique de commande ont compaée et analyée pou une commande en échelon du couple qui vaie de Nm à 1 Nm (couple nominale), pou difféente vitee. Le Figue 6 et montent le éultat obtenu pou une commande en échelon du couple qui vaie de Nm à 1 Nm, pou difféente vitee (144 t/min, 2 t/min et 1 t/min), epectivement pou la commande DFOC et DC. Ce éultat montent que l utiliation de la commande DC donne une meilleue épone du couple en teme du temp d établiement et de dépaement. La difféence dan le égime tanitoie et due à la péence de égulateu PI dan la commande DFOC qui etadent le couple. Le temp de épone du couple pou le deux ca ont éumé dan le ableau 5. ableau 5. emp de épone du couple. DFOC DC 144 pm,5 m 2,1 m 4 pm 5 m 1,2 m 1 pm 4,5 m 1 m 29

8 Revue de génie indutiel 211, 6, Figue 6. Evolution de la épone du couple pou difféente vitee utiliant la commande DFOC Figue. Evolution de la épone du couple pou difféente vitee utiliant la commande DC La commande DC en bae vitee Dan le fonctionnement à bae vitee, l etimation du flux tatoique pa une intégation en boucle ouvete de la tenion tatoique diminuée de la chute éitive, conduit à une etimation eonée du flux [6]. De plu, le eeu d identification et la vaiation de la éitance tatoique contibuent aui à une mauvaie etimation du flux et peuvent éventuellement entaîne une divegence de l etimation. La Figue 8 monte la vaiation du flux tatoique obtenu avec une vitee de 1 t/min et un couple de 5 Nm. Figue 8. aiation du flux tatoique pou une vitee de 1 t/min. 3

9 Revue de génie indutiel 211, 6, Synthèe de la compaaion de deux technique de commande DFOC et DC Finalement, le ableaux 6 et péentent une ynthèe de la compaaion ente la commande DC et la DFOC concenant le pefomance, le tuctue de contôle et le beoin de deux ytème. ableau 6. Synthèe de la compaaion de deux commande DFOC et DC. DFOC DC Répone dynamique du couple Lente Rapide Compotement du couple et du couant tatoique en égime pemanant Compotement en bae vitee Senibilité aux paamète de la machine Néceité d un capteu de poition otoique oin d ondulation et de ditoion Bon Senible Oui Plu d ondulation et de ditoion auvai oin enible Commande intable i la éitance tatoique et uetimée Non Contôle de couant Oui Non Féquence de commutation Buit audible Contant oin de buit pou une féquence fixe aiable, dépend du point de fonctionnement et du égime tanitoie Specte lage, buit impotant pécialement en bae vitee Complexité d implantation Impotante inimale Concluion ableau. Paamète de la machine à induction. Réitance tatoique Réitance otoique Inductance tatoique/otoique Inductance magnétiante R =5,63 Ω R =2,62 Ω L =L =,382 H =,364 H oment d inetie J=,1 kg.m 2 Fottement viqueux f=,15 N.m..ad -1 Puiance nominale 1,5 kw Cet aticle a péenté une compaaion ente deux commande vectoielle: la commande DFOC et la commande DC. Ce tavail a également péenté la deciption de deux méthode et leu pincipe de fonctionnement. Afin de monte le pefomance de chaque commande pou de condition vaiable, de éultat de imulation ont été avancée. En concluion, le deux méthode pocuent de pefomance imilaie avec un lége avantage de la commande DFOC en égime pemanent et à bae vitee; en égime dynamique la commande DC péente une meilleue épone du couple. Réféence bibliogaphique 1. Blahke F. he pinciple of fiel-oientation a applied to the anvecto cloed-loop contol ytem fo otating-field machine. Siemen Review, 192, 34, akahahi I., Noguchi. A new quick-epone and high efficiency contol tategy of an induction machine. IEEE anaction on Indutial Application, 1986, IA-22 (5),

10 Revue de génie indutiel 211, 6, Depenbock. Diect Self Contol of Invete-Fed Induction achine. IEEE an. In Powe Electonic, 1988, PE-3(4), Habetle. G., Pofumo F., Patoelli., olbet L.. Diect toque contol of induction machine uing pace vecto modulation. IEEE anaction on Induty Application, 1992, 28, Abe., Pofumo F., Giva G., Habetle., Evaluation of a high pefomance moto dive uing diect toque contol. Conf. Rec. PCC 93, Yokohama, Japan, Ap. 1993, Li Y., Shao J., Si B. Diect oque Contol of Induction oto fo Low Speed Dive Conideing Dicete Effect of Contol and Dead-time of Invete. Poceeding IEEE anaction on Induty Application, Society Annual eeting, IAS'9, New Yok, Robyn B., Fançoi B., Degobet P., J. Hautie P. Commande ectoielle de la achine Aynchone: In Déenibiliation et Optimiation pa la Logique floue, Edition echnip, Pai, Caadei D., Pofum F., Sea G., ani A., FOC and DC: two viable cheme fo induction moto toque contol. IEEE an. Powe Electonic, 22, 1, Khoucha F., aouani K., Aliouane K., Kheloui A. Expeimental pefomance analyi of adaptive flux and peed obeve fo diect toque contol of enole induction moto dive. IEEE an. Powe Electonic Gemany, 24, elfod D., Dunnigan., William B.W., A compaative of vecto contol and diect toque contol of an induction machine. IEEE an. Powe Electonic. 2, Le-Huy Hoang. Compaion of field-oiented contol and diect toque contol fo induction moto dive. Poceeding of IEEE an. Induty Appl. Conf., 1999,