Commandes directes appliquées à une machine synchrone à aimants permanents alimentée par

250 Pages·2008·6.59 MB·English

N◦ d’ordre 2007-ISAL-0086 Année 2007
Thèse
Commandes Directes Appliquées à une Machine
Synchrone à Aimants Permanents Alimentée par un
Onduleur Triphasé à Deux Niveaux ou par un
Convertisseur Matriciel Triphasé
présentée devant
L’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon
pour obtenir le grade de docteur
Ecole Doctorale EEA
Spécialité : Génie Électrique
par
Florent Morel
Soutenue le 6 décembre 2007 devant la commission d’examen
Jury
Jean-Paul Louis Professeur des universités Président
Maurice Fadel Professeur des universités Rapporteur
Jean-Paul Vilain Professeur des universités Rapporteur
Damien Flieller Maître de conférence Examinateur
Claire Valentin Professeur des universités Examinateur
Jean-Marie Rétif Professeur des universités Directeur de thèse
Xuefang Lin-Shi Maître de conférence Examinateur
INSA Direction de la Recherche - Ecoles Doctorales 2007
SIGLE ECOLE DOCTORALE NOM ET COORDONNEES DU RESPONSABLE
CHIMIE DE LYON M. Jean Marc LANCELIN
CHIMIE http://sakura.cpe.fr/ED206 Université Claude Bernard Lyon 1
Bât CPE
43 bd du 11 novembre 1918
M. Jean Marc LANCELIN
69622 VILLEURBANNE Cedex
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ELECTRONIQUE, ELECTROTECHNIQUE,  M. Alain NICOLAS
E.E.A. AUTOMATIQUE Ecole Centrale de Lyon
http://www.insa-lyon.fr/eea Bâtiment H9
M. Alain NICOLAS 36 avenue Guy de Collongue
Insa : D. BARBIER 69134 ECULLY
[email protected] Tél : [phone] Fax : [phone]
Secrétariat : M. LABOUNE [email protected]
AM. 64.43 – Fax : 64.54 Secrétariat : M.C. HAVGOUDOUKIAN
EVOLUTION, ECOSYSTEME, M. Jean-Pierre FLANDROIS
E2M2 MICROBIOLOGIE, MODELISATION CNRS UMR 5558
http://biomserv.univ- Université Claude Bernard Lyon 1
lyon1.fr/E2M2 Bât G. Mendel
43 bd du 11 novembre 1918
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 ediis  @liris.cnrs.fr  - [email protected]
INTERDISCIPLINAIRE SCIENCES­SANTE M. Didier REVEL
EDISS Hôpital Cardiologique de Lyon
Bâtiment Central
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M. Jean Marc PELLETIER Bâtiment Blaise Pascal
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83.85 Tél : [phone] Fax [phone]
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MATHEMATIQUES ET INFORMATIQUE  M.Pascal KOIRAN
Math IF FONDAMENTALE Ecole Normale Supérieure de Lyon
46 allée d’Italie
69364 LYON Cédex 07
M. Pascal KOIRAN Tél : [phone] Fax : [phone]
Pascal.koiran@ens­lyon.fr
Insa : G. BAYADA Secrétariat : Fatine Latif ­ [email protected]­lyon1.fr
MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE  M. Jean Louis GUYADER
MEGA CIVIL, ACOUSTIQUE INSA de Lyon
Laboratoire de Vibrations et Acoustique
M. Jean Louis GUYADER Bâtiment Antoine de Saint Exupéry
25 bis avenue Jean Capelle
Secrétariat : M. LABOUNE 69621 VILLEURBANNE Cedex
PM : 71.70 –Fax : 87.12 Tél :[phone] Fax : [phone]
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SCIENCES DES SOCIETES, DE  Mme Claude-Isabelle BRELOT
SSED L’ENVIRONNEMENT ET DU DROIT Université Lyon 2
86 rue Pasteur
Mme Claude-Isabelle BRELOT 69365 LYON Cedex 07
Tél : [phone] Fax : [phone]
[email protected]
Insa : J.Y. TOUSSAINT
À Peggy
Pour ton soutien inconditionnel
C’est pas une vie d’être un chercheur
Tout a déjà été trouvé
Même si j’dégotais le bonheur
On me dirait que ça existait
Pour faire la colle à cœur brisé
Le Soldat Rose
Louis Chedid,
Pierre-Dominique Burgaud
2006

Résumé
Un système électrotechnique, et plus particulièrement l’association d’un conver-
tisseur statique et d’une charge, constitue un système dynamique hybride. En effet,
untelsystèmepeutêtrevucommeunprocédécontinucommandéparunmodulateur
d’énergieayantunnombrefinideconfigurations.Pourcesapplications,afind’obtenir
uncontrôle performantdelapositionoudelavitesse,ilestnécessairedemaîtriserle
couple avec une dynamique très rapide. Dans ce document, nous nous intéresserons
uniquement à la commande du couple. Nous proposons des lois de commande qui
déterminent directement les configurations du modulateur d’énergie à utiliser afin de
poursuivreleplusrapidementpossiblelesréférencesdesvariablesd’étatcontinuesdu
système. Les contraintes de temps de calcul étant très sévères (quelques dizaines de
microsecondes), un modèle simplifié local permettant de prendre en compte le com-
portement de l’ensemble modulateur d’énergie - processus continu est utilisé. Diffé-
rentesstratégiesdecommandesontensuitedéveloppées.Pourlapremière,aprèsavoir
prédit le comportement du système sur un horizon donné pour chaque configuration
possible, diverses fonctions coût peuvent être utilisées pour choisir une configuration
adéquatequiseraappliquéependantlecycledecalculsuivant.Pourladeuxième,plu-
sieursconfigurationsainsiqueleursduréesd’applicationrespectivessontdéterminées
lorsdechaqueoccurrencedel’algorithme.Cettestratégiepermetd’améliorerlesper-
formances en régime permanent et de réduire les contraintes de temps de calcul. La
troisièmeméthodeprésentel’avantagedenepasexplorertouteslesconfigurationspos-
sibles en calculant directement les rapports cycliques (sur une période de calcul) des
élémentsdiscretsduconvertisseurd’énergie.Cecisimplifiel’algorithmeetfaciliteson
implémentation en temps réel. Toutes ces démarches ont été validées expérimentale-
mentdanslapremièrepartiedecedocumentavecuneMachineSynchroneàAimants
Permanents (MSAP) pilotée par un onduleur triphasé à deux niveaux de tension.
La deuxième partie est consacrée à l’exploitation d’un convertisseur matriciel. Après
sa réalisation par nos soins, la première stratégie de commande est appliquée sur
l’ensemble MSAP - convertisseur matriciel. Les résultats expérimentaux confirment
l’efficacité de l’approche proposée. Cette méthodologie originale est exploitable pour
la commande de convertisseurs dont la structure est plus complexe.
Abstract
An electrotechnical system, and more particularly the association of a static
converter and a load, constitutes a hybrid dynamic system. Indeed such a system
can be seen like a continuous process controlled by an energy modulator having a
finite number of configurations. For these applications, in order to obtain a powerful
control of the position or speed, it is necessary to control the torque with a very fast
dynamics. In this document, we deal only with torque control. We propose control
laws which directly determine the configurations of the energy modulator to use in
order to track as soon as possible the references of the continuous state-variables of
the system. As the computing duration has to be very short (a few tens of microse-
cond), a local simplified model which takes into account the behavior of the whole
energy modulator - continuous process is used. Various control strategies are develo-
ped. For the first one, after having predicted the behavior of the system for a given
horizon for each possible configuration, various cost functions can be used to choose
an adequate configuration which will be applied during the next computation cycle.
For the second one, several configurations and their respective application times are
determined at each occurrence of the algorithm. With this strategy, performances
during steady state operation are improved and the constraint for calculation dura-
tion is reduced. The third method has the advantage of not exploring all the possible
configurationsbydirectlycalculatingthedutycycles(overacalculationperiod)ofthe
discreteelementsoftheenergyconverter.Thissimplifiesthealgorithmandfacilitates
its implementation in real time. All these methods were validated with experiments
in the first part of this document with a Permanent Magnet Synchronous Machine
(PMSM)controlledbyatwo-levelthree-phaseinverter.Thesecondpartisdevotedto
the use of a matrix converter. After its realization by ourselves, the first control stra-
tegy is applied to the whole matrix converter - PMSM. Experimental results confirm
the effectiveness of the proposed approach. This original methodology is exploitable
for the control of converters of with more complex structures.

Table des matières
Introduction 1
I Commande directe d’un ensemble machine synchrone à
aimants permanents - onduleur triphasé à deux niveaux 7
1 Commande directe monocoup 9
2 Commande directe multicoups 45
3 Calcul direct des rapports cycliques 71
II Commande directe d’un ensemble machine synchrone à
aimants permanents - convertisseur matriciel triphasé 93
4 Convertisseur matriciel 95
5 Commande directe monocoup 133
Bilan et perspectives 179
Bibliographie 185
Annexes 196
A Publications et Communications 199
B Composantsutiliséspourlaréalisationduconvertisseurma-
triciel 201
i
Table des matières détaillée
Introduction 1
I Commande directe d’un ensemble machine synchrone à
aimants permanents - onduleur triphasé à deux niveaux 7
1 Commande directe monocoup 9
1.1 Commande directe du couple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2 Commandes prédictives à un pas en électrotechnique . . . . . . 14
1.3 Principe de commande proposé . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3.1 Obtention du modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3.1.1 Modèle de la machine synchrone à aimants
permanents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3.1.2 Modèle d’un onduleur parfait . . . . . . . . . . 17
1.3.1.3 Modèle de l’ensemble . . . . . . . . . . . . . . 19
1.3.2 Détermination du vecteur d’état de référence. . . . . . . 19
1.3.3 Calcul des directions possibles dans l’espace d’état . . . 20
1.3.4 Détermination de la configuration à utiliser . . . . . . . 20
1.3.4.1 Angle entre la direction d’évolution dans l’es-
pace d’état et la direction de référence . . . . . 21
1.3.4.2 Distance entre le vecteur d’état obtenu et le
point de référence lorsque le temps d’applica-
tion est minimal . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.3.5 Détermination de la durée d’application pour la confi-
guration choisie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.4 Validation expérimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.4.1 Matériel utilisé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.4.1.1 Machine synchrone. . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.4.1.2 Onduleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.4.1.3 Mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.4.1.4 Contrainte pour la durée des calculs . . . . . . 27
1.4.1.5 Unité de calcul . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.4.2 Implémentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
ii
1.4.3 Étude du régime permanent . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.4.4 Étude du régime transitoire . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.5 Conclusions pour ce chapitre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2 Commande directe multicoups 45
2.1 Commandes multicoups utilisant deux configurations par oc-
currence de calcul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.2 Principe de commande proposé . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.2.1 Méthode pour déterminer les configurations utilisées . . 50
2.2.2 Séquence des configurations durant une période de calcul 53
2.2.3 Influence du temps de calcul . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.3 Validation expérimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.3.1 Implémentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.3.2 Étude du régime permanent . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.3.3 Étude du régime transitoire . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.4 Conclusions pour ce chapitre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3 Calcul direct des rapports cycliques 71
3.1 Commandes prédictives de courants utilisant la MLI vectorielle 72
3.2 Principe de commande proposé . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.2.1 Modèle utilisé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.2.2 Calcul des rapports cycliques . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.2.2.1 De l’importance des valeurs relatives des rap-
ports cycliques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.3 Application à deux séquences de commutations . . . . . . . . . 76
3.3.1 Séquence de commutations avec l’état d’un bras figé . . 76
3.3.2 Séquence de commutations où les deux configurations
conduisantàdestensionsnullessontappliquéespendant
la même durée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.4 Corrections pour les points non atteignables . . . . . . . . . . . 79
3.5 Validation expérimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.5.1 Implémentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.5.2 Étude du régime permanent . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.5.3 Étude du régime transitoire . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.6 Conclusions pour ce chapitre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
II Commande directe d’un ensemble machine synchrone à
aimants permanents - convertisseur matriciel triphasé 93
4 Convertisseur matriciel 95
4.1 Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.2 Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.2.1 Configurations admissibles . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
iii
Table des matières détaillée
4.2.2 Propriétés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.2.2.1 Encombrement . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.2.2.2 Nombre de composants et pertes . . . . . . . . 97
4.2.2.3 Fiabilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.2.2.4 Filtre d’entrée . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.2.2.5 Fonctionnement à haute température . . . . . 99
4.2.2.6 Amplitude maximale des tensions de sortie . . 99
4.2.3 Convertisseur matriciel indirect . . . . . . . . . . . . . . 99
4.3 Réalisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.3.1 Interrupteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.3.1.1 Interrupteurs composés de diodes et d’IGBT . 101
4.3.1.2 Interrupteurs composés de JFET en carbure
de silicium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.3.1.3 Interrupteurs composés de RIGBT . . . . . . . 103
4.3.1.4 Intégration des interrupteurs dans des modules 104
4.3.2 Commutations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.3.2.1 Problème de la commutation . . . . . . . . . . 104
4.3.2.2 Commutation semi-douce . . . . . . . . . . . . 105
4.3.2.3 Conséquences en cas de commutations inap-
propriées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.3.3 Protections contre les surtensions . . . . . . . . . . . . . 109
4.4 Commandes appliquées à un convertisseur matriciel associé à
une machine tournante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.4.1 Modulation de largeur d’impulsions . . . . . . . . . . . 112
4.4.2 Méthode Venturini . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.4.3 Répartition des vecteurs de tensions de sortie dans le
plan αβ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.4.4 Modulation vectorielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.4.5 Calculs des rapports cycliques utilisant un bus continu
fictif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.4.6 Séquences de modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.4.7 Commande directe du couple . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5 Commande directe monocoup 133
5.1 Commande des courants statoriques . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.1.1 Modèle utilisé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.1.2 Principe de la commande . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.1.3 Fonction coût . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.2 Commande étendue aux courants en entrée . . . . . . . . . . . 138
5.2.1 Modèle utilisé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.2.2 Fonction coût . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.3 Validation Expérimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.3.1 Matériel utilisé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
iv