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208 Pages·2008·5.03 MB·French

by  Émile Bowendnéré Mouni

THESE
Pr´esent´ee `a
L’UNIVERSITE DE POITIERS
Pour l’obtention du grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE POITIERS
ECOLE SUPERIEURE D’INGENIEURS DE POITIERS
ECOLE DOCTORALE DES SCIENCES POUR L’INGENIEUR
Diplˆome National - Arrˆet´e du 7 Aouˆt 2006
SPECIALITE : Automatique et G´enie E´lectrique
Pr´esent´ee par
´
Emile Bowendn´er´e MOUNI
Ing´enieur E.S.I.P
Contribution `a l’am´elioration des performances des
g´en´eratrices synchrones : nouvelle structure d’excitation
bas´ee sur une machine `a aimants et combin´ee `a des lois
de commande avanc´ees.
Directeur de Th`ese : G´erard CHAMPENOIS
Co-encadrement : Slim TNANI
Pr´esent´ee et soutenue publiquement le 25 Novembre 2008
COMPOSITION DU JURY
Pr´esident : Mme M. PIETRZAK-DAVID Professeur, I.N.P de Toulouse
Rapporteurs : M. E. MONMASSON Professeur,Universit´e de Cergy-Pontoise
M. H. RAZIK Maˆıtre de Conf´erences, HDR, Universit´e de Nancy
Examinateurs : M. G. CHAMPENOIS Professeur, Universit´e de Poitiers
M. P. COIRAULT Professeur, Universit´e de Poitiers
M. P. MANFE Responsable bureau d’´etude, Leroy Somer
M. J. SAINT-MICHEL Directeur scientifique, Leroy Somer
M. S. TNANI Maˆıtre de Conf´erences, Universit´e de Poitiers
Th`ese pr´epar´ee au sein du Laboratoire d’Automatique et d’Informatique Industrielle de Poitiers.
Mis en page avec la classe thloria.
Remerciements
Un travail de trois ans ne pourrait se concr´etiser sans un ensemble d’aides souvent
n´ecessaires mais toujours pr´ecieuses. C’est pourquoi, je voudrais remercier ici tous ceux
qui ont contribu´e au bon d´eroulement de mon travail, aussi bien par leur encadrement,
leurs comp´etences que par leur soutien.
Mes premiers remerciements vont tout naturellement au Seigneur Tout Puissant qui a su
me guider tout au long de ce travail, qui m’a donn´e la sant´e, l’inspiration, l’intelligence,
en un mot tout ce dont j’ai eu besoin pour r´eussir mon travail.
Je remercie Monsieur G´erard Champenois, directeur du Laboratoire d’Automatique et
d’Informatique Industrielle, de m’avoir accueilli dans son laboratoire et d’avoir ´et´e mon
directeur de th`ese. Qu’il trouve ici ma grande reconnaissance pour les multiples fois qu’il
m’a d´ebloqu´e grˆace `a sa perspicacit´e, son sens inou¨ı de la recherche scientifique ainsi que le
sacrifice de ses vacances qui m’ont permis de terminer ma th`ese dans les temps impartis.
Un merci particulier `a Monsieur Slim Tnani, mon co-directeur de th`ese, qui m’a suivi
tout au long de ces trois ann´ees. Il a su me conseiller et me guider tout au long de ce
travail de th`ese. Je lui suis reconnaissant pour ses qualit´es professionnelles, intellectuelles
et humaines qui ont agr´ement´e cette th`ese.
Je suis tr`es sensible `a l’honneur que me fait Madame Maria PIETRZAK-DAVID, Profes-
seur `a l’INP de Toulouse en acceptant de pr´esider mon jury de th`ese.
Que Monsieur Patrick Coirault, Professeur `a l’universit´e de Poitiers, en acceptant de par-
ticiper `a mon jury de th`ese, trouve ici l’expression de mes sinc`eres remerciements.
´
Que Messieurs Eric Monmasson, Professeur `a l’Universit´e de Cergy-Pontoise et Hubert
Razik, Maˆıtre de Conf´erence `a l’Universit´e de Nancy, Habilit´e `a Diriger des Recherches,
soient t´emoins de ma profonde gratitude pour avoir accept´e de juger mon travail en tant
que rapporteurs de cette th`ese.
Je t´emoigne de ma profonde gratitude `a l’entreprise LEROY SOMER, grˆace `a qui, une
validation exp´erimentale crois´ee de notre ´etude a pu ˆetre effectu´ee. Mes remerciements
«
vont particuli`erement `a Messieurs Philippe Manf´e, responsable du bureau d’´etude al-
»
ternateurs et Jacques Saint-Michel, directeur scientifique de Leroy Somer, pour leur
soutien, leur aide ainsi que leur participation `a mon jury de th`ese.
Je remercie vivement Olivier Bachelier pour sa sympathie et son aide pr´ecieuse sur la
« »
commande robuste de ma machine . Qu’il trouve `a travers ces quelques mots l’expres-
sion de ma grande estime et de ma reconnaissance.
Les donn´ees exp´erimentales pr´esent´ees dans cette th`ese n’auraient pas ´et´e possibles sans
l’aide combien pr´ecieuse de Monsieur Pascal Rogeon, technicien ´electronique au LAII, qui
m’a beaucoup aid´e dans la r´ealisation de mon banc d’essai exp´erimental. De la r´ealisation
i
des cartes ´electroniques au cˆablage global du banc d’essai, il a su m’apporter tout son
savoir-faire et sa bonne humeur. Je voudrais ici lui t´emoigner toute ma gratitude et mon
admiration pour l’aide indispensable dont j’ai b´en´efici´ee de sa part.
`
A Norovola qui m’a toujours soutenu et qui m’a beaucoup aid´e durant ces trois ann´ees.
`
A toi, je te dis merci, merci pour ta patience, merci pour ta gentillesse, en un mot merci
d’ˆetre ce que tu es.
Je remercie tous ceux que j’ai cˆotoy´es durant ces ann´ees et qui ont contribu´e `a la r´eussite
de ce projet. Je pense `a toutes les ´equipes du LAII, aussi bien les doctorants que les per-
manents, pour les tr`es bonnes conditions de travail et la sympathique ambiance qui m’ont
permis de mener `a bien mon projet. Je ne saurai citer des noms de peur d’en oublier.
Veuillez trouver `a travers ces quelques mots ma reconnaissance ainsi que mon respect.
ii
A` ma d´efunte m`ere,
A` Norovola et `a Lucie
iii
iv
Table des mati`eres
Introduction g´en´erale 1
1 Probl´ematique et Motivations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2 Organisation du m´emoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Chapitre 1 G´en´eralit´es sur les g´en´eratrices synchrones 5
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Bref historique sur les machines ´electriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 Aperc¸u sur les ´evolutions technologiques des machines synchrones . . . . . 7
1.3.1 Le bobinage de la machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.1.1 Les bobinages `a pas diam´etral . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.1.2 Les bobinages `a pas raccourci . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.1.3 Les bobinages r´epartis r´eguliers . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.1.4 La supraconductivit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
´
1.3.2 Echauffement et refroidissement des machines . . . . . . . . . . . . 9
´
1.3.2.1 Echauffement et techniques d’isolation . . . . . . . . . . . 9
1.3.2.2 Le refroidissement des machines ´electriques . . . . . . . . 10
1.4 Syst`emes d’excitation des g´en´eratrices synchrones . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4.1 G´en´eralit´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4.2 Pr´esentation des structures d’excitation par alternateur invers´e . . . 12
1.4.3 Comparaison des diff´erentes structures d’excitation . . . . . . . . . 15
1.4.3.1 La surcharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4.3.2 L’auto-amorc¸age . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4.3.3 La fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4.3.4 La dynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.5 Essais exp´erimentaux sur une machine ´equip´ee d’une excitation shunt . . . 17
1.5.1 La machine ´equip´ee d’excitatrice classique . . . . . . . . . . . . . . 17
1.5.2 Conditions exp´erimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
v
Table des mati`eres
1.5.3 R´esultats exp´erimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.5.3.1 Essai d’impact et de d´elestage . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.5.3.2 D´emarrage de machine asynchrone . . . . . . . . . . . . . 21
1.5.4 R´esum´e des r´esultats obtenus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.6 Probl´ematique de notre travail de recherche . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Chapitre 2 Mod´elisation et identification de la g´en´eratrice synchrone 25
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2 Expressions des inductances de la machine synchrone . . . . . . . . . . . . 25
2.2.1 Les inductances et mutuelles rotoriques . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.2 Les inductances et mutuelles statoriques . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3 Rappels sur la transformation d’axes dq0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.1 La transformation de CLARKE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.2 La transformation de CONCORDIA . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.3 La transformation de PARK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.4 Mod´elisation de la g´en´eratrice synchrone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.4.1 Mod`ele de l’alternateur dans le rep`ere de PARK . . . . . . . . . . . 32
2.4.1.1 Application de la transform´ee de Park aux flux . . . . . . 32
2.4.1.2 Mod`ele ´electique g´en´erique de la g´en´eratrice synchrone . . 34
2.4.2 Prise en compte de l’´equation m´ecanique . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.4.2.1 Essai de d´ec´el´eration de la machine . . . . . . . . . . . . . 36
2.4.2.2 D´etermination des param`etres de l’´equation m´ecanique . . 36
´
2.4.2.3 Equation m´ecanique g´en´erale . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.4.3 Repr´esentation d’´etat de la g´en´eratrice synchrone . . . . . . . . . . 38
2.4.3.1 Mod`ele `a charge interne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.4.3.2 Mod`ele `a charge externe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
´
2.4.4 Equivalence vis `a vis du mod`ele conventionnel . . . . . . . . . . . . 44
2.4.4.1 Le mod`ele ´electrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.4.4.2 Mise en ´equation du syst`eme . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.4.4.3 Expressions des param`etres relatifs `a l’axe d . . . . . . . . 49
2.4.4.4 Expressions des param`etres relatifs `a l’axe q . . . . . . . . 50
2.4.4.5 R´ecapitulatif des r´esultats obtenus . . . . . . . . . . . . . 51
2.4.5 Notions de saturation dans la machine . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.5 Validation et identification param´etrique de la machine . . . . . . . . . . . 52
vi
2.5.1 Essai de court circuit brusque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.5.2 Normes IEEE relatives `a l’identification param´etrique . . . . . . . . 54
2.5.2.1 R´eactances et constantes de temps de l’axe direct . . . . . 54
2.5.2.2 R´eactances et constantes de temps de l’axe en quadrature 56
2.5.2.3 Constantes de temps en circuit ouvert . . . . . . . . . . . 56
2.5.3 Module didactique de calcul de param`etres par m´ethode it´erative . 56
2.5.3.1 Design de l’interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.5.3.2 Algorithme d’estimation param´etrique . . . . . . . . . . . 59
2.5.3.3 Application de l’algorithme `a un essai en simulation. . . . 61
2.5.3.4 Application de l’algorithme sur des donn´ees exp´erimentales 63
2.5.4 Validation des mod`eles d´evelopp´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Chapitre 3 Synth`ese de lois de commande pour la g´en´eratrice synchrone 71
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.2 Avantages apport´es par la nouvelle structure d’excitation de la machine . . 72
3.2.1 Bref rappel sur les deux structures d’excitation . . . . . . . . . . . 72
3.2.2 Le mode de glissement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.2.2.1 Pr´esentation de la m´ethode . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.2.2.2 Application `a la g´en´eratrice synchrone . . . . . . . . . . . 75
3.2.3 Comparaison des r´esultats de simulation entre les structures d’ali-
mentation en tension et en courant . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.2.3.1 R´esultats avec l’excitation par source de courant (ESC) . . 78
3.2.3.2 R´esultats avec l’excitation par source de tension (EST) . . 80
3.2.3.3 Comparaison entre les deux structures . . . . . . . . . . . 82
3.2.3.4 Influence de la fr´equence d’excitation . . . . . . . . . . . . 82
3.2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.3 La commande pr´edictive de la g´en´eratrice synchrone . . . . . . . . . . . . . 84
3.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.3.2 Th´eorie de la commande pr´edictive . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.3.2.1 Description du mod`ele discret . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.3.2.2 La premi`ere ´equation de Diophante . . . . . . . . . . . . . 86
3.3.2.3 La seconde ´equation de Diophante . . . . . . . . . . . . . 87
3.3.2.4 Pr´ediction de la sortie et g´en´eration de loi de commande
pr´edictive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
vii
Table des mati`eres
3.3.2.5 Calcul du correcteur R S T . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.3.3 Application `a la g´en´eratrice synchrone . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.3.4 V´erification de l’efficacit´e de la loi de commande . . . . . . . . . . . 94
3.3.5 Robustesse vis `a vis de la variation de param`etres du mod`ele . . . . 98
3.3.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.4 La commande par retour de sortie dynamique de la GS . . . . . . . . . . . 99
3.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.4.2 Notions de valeurs singuli`eres et de norme . . . . . . . . . . . . 99
H∞
3.4.3 Formulation du probl`eme standard . . . . . . . . . . . . . . . . 100
H∞
3.4.4 Utilisation de fonctions de pond´eration . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.4.5 R´esolution du probl`eme via les ´equations de Riccati . . . . . . 104
H∞
3.4.5.1 Expos´e de la m´ethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.4.5.2 Application `a la g´en´eratrice synchrone . . . . . . . . . . . 105
3.4.6 Impl´ementation et r´esultats de simulation . . . . . . . . . . . . . . 107
3.4.7 V´erifictaion de la robustesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.4.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.5 Conclusion et analyse Critique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
Chapitre 4 Validations exp´erimentales de la nouvelle structure et des algo-
rithmes de commande 111
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.2 R´ealisation du banc d’essai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.2.1 Analyse fonctionnelle du banc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.2.2 Le syst`eme d’entraˆınement du banc . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.2.2.1 La machine `a courant continu . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.2.2.2 Le variateur WNTC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.2.2.3 Param´etrage du variateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.2.2.4 La dynamo tachym´etrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.2.3 Description du syst`eme d’alimentation de l’excitation . . . . . . . . 117
4.2.3.1 La machine synchrone `a aimants permanents . . . . . . . 117
4.2.3.2 Conversion du r´esolveur en codeur incr´emental . . . . . . 118
4.2.3.3 Le pont `a thyristors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.2.3.3.1 La fonction Arcosinus . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.2.3.3.2 La g´en´eration des impulsions . . . . . . . . . . . 122
4.2.3.3.3 Les modules de puissance . . . . . . . . . . . . . 123
viii