Contribution à l'étude des machines synchrones à aimants permanents internes à large espace de ...

128 Pages·2005·6.07 MB·French

Contribution (cid:224) l’Øtude des machines
synchrones (cid:224) aimants permanents internes (cid:224)
large espace de fonctionnement.
Application (cid:224) l’alterno-dØmarreur
L. ChØdot
Soutenue le 09 novembre 2004 devant le jury composØ de :
MM. P. Brochet (PrØsident)
B. Multon (Rapporteur)
J.P. Yonnet (Rapporteur)
J.P. Vilain
M. Amiet
C. Plasse (Responsable Valeo)
G. Friedrich (Directeur de thŁse)

Notes sur la con(cid:28)dentialitØ
Cettepartieestunavertissementaulecteur.CemanuscritconcerneunethŁseCIFRE
dont les rØsultats appartiennent (cid:224) la sociØtØ Valeo SystŁmes Electriques.
L’ensemble des donnØes techniques, dimensions, grandeurs caractØristiques, matØ-
riaux, etc., a ØtØ rØuni dans les trois annexes (cid:28)nales.
Ces annexes ont ØtØ classØes con(cid:28)dentielles et ne sont dispo-
nibles qu’auprŁs de la sociØtØ Valeo SE.
Pour contacter la sociØtØ : Valeo SystŁmes Electriques
2, rue A. Boulle
94000 CrØteil
TØl : 01.48.98.86.00
i
ii
Remerciements
UnethŁsepeutŒtreconsidØrØecommelefruitdetroisannØesdetravailpersonnel.Ce
travail passe par di(cid:27)Ørentes phases, certaines faciles et agrØables, d’autres laborieuses et
dØroutantes. Les premiŁres apportent beaucoup de satisfaction, voire d’autosatisfaction,
et des avancØes encourageantes. E(cid:27)ectivement, ces phases apparaissent comme le fruit
d’un travail personnel.
Les secondes apportent doutes et hØsitations. Les rØsultats sont lents (cid:224) venir et
l’orientation du travail se trouve compromise. A ce stade, seuls trois facteurs m’ont
permis de faire avancer ce travail : un encadrement ØclairØ et prØsent (cid:224) chaque instant,
une ambiance de travail propice, (cid:224) la fois au sØrieux et (cid:224) la dØtente, ainsi qu’un soutien
personnel, famille en tŒte, indirect mais indispensable.
A la suite de trois ans de recherche, ma thŁse n’a pris rØellement vie que par sa
validation devant un jury rigoureux, volontaire, entreprenant et encourageant.
Unecertitudem’appara(cid:238)talorsclairement.MathŁseesttout,sauflefruitd’ununique
travail personnel. Elle est le fruit du travail d’une trŁs grande Øquipe, tant profession-
nelle que personnelle. Equipe dont je ne serai jamais assez reconnaissant.
NØanmoins, et en faisant beaucoup trop court :
Je tiens (cid:224) remercier M. Guy Friedrich, Professeur des UniversitØs (cid:224) l’UniversitØ de
Technologie de CompiŁgne, directeur du Laboratoire d’ElectromØcanique de CompiŁgne
et mon directeur de thŁse pendant ces trois annØes. Je le remercie pour m’avoir accueilli
auseindulaboratoire,pourm’avoirproposØunsujetdethŁsesiintØressantetpouravoir
spontanØment proposØ de m’encadrer. Je pro(cid:28)te de ces quelques lignes pour le remercier
pour l’ensemble de ces annØes d’encadrement passionnØ, en tant qu’enseignant d’abord,
en tant que responsable de projet, en tant que prØcieux conseiller lors de mon DEA et
bien-sßr en tant que directeur de thŁse. J’espŁre avoir un jour autant de clairvoyance, et
pense mesurer la chance d’avoir pu pro(cid:28)ter de tant de sympathie communicative. Merci
tout simplement pour tout.
JesouhaiteremercierM.CØdricPlasse,directeurduserviceElectroniquedelasociØtØ
Valeo SystŁmes Electriques, et encadrant Valeo durant ces trois annØes. Je le remercie
de m’avoir accueilli au sein de la sociØtØ Valeo SE et de m’avoir proposØ, voire rØservØ, ce
projet si passionnant. Je souhaite encore plus le remercier pour m’avoir toujours o(cid:27)ert
l’essentiel : sa con(cid:28)ance. Lors de mon projet de (cid:28)n d’Øtude, lors de mon DEA, pour ce
iii
iv
sujet de thŁse, pour toutes les rØunions oø j’ai pu apporter une petite contribution sur
les machines (cid:224) aimants. Merci pour toutes ces annØes et pour toute cette expØrience
partagØe avec moi.
Qu’il me soit permis de remercier M. Pascal Brochet, Professeur des UniversitØs (cid:224)
l’Ecole centrale de Lille, Responsable de l’Øquipe Conception et Optimisation des Ma-
chines Electriques du Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique de Puissance
pour avoir acceptØ d’Œtre prØsident de mon jury de thŁse.
Je tiens Øgalement (cid:224) remercier M. Bernard Multon, Professeur des UniversitØs (cid:224)
l’ENS Cachan, antenne de Bretagne, directeur du dØpartement de MØcatronique du la-
boratoire SystŁmes et Applications des Technologies de l’Information et de l’Energie
pour avoir acceptØ d’Œtre rapporteur de cette thŁse. Nos nombreux Øchanges et l’en-
semble des remarques apportØes avant et pendant la soutenance m’ont permis de prØ-
ciser et d’Øclaircir un grand nombre de points cruciaux. Je remercie en mŒme temps
l’enseignant rencontrØ en DEA qui n’a cessØ de transmettre sa passion et sa rigueur.
Je souhaite remercier M. Jean-Paul Yonnet, Directeur de Recherche au Laboratoire
d’Electrotechnique de Grenoble, Responsable de l’Øquipe MatØriaux MagnØtiques et Ap-
plications pour avoir acceptØ d’Œtre rapporteur de cette thŁse, pour l’ensemble des ob-
servations concernant le travail e(cid:27)ectuØ et pour l’analyse de ce projet dans le contexte
global d’hybridation des vØhicules Ølectriques.
Que M. Michel Amiet, Directeur de la branche GØnie Electrique de la Direction
GØnØrale de l’Armement soit remerciØ pour avoir acceptØ d’Œtre membre de ce jury de
thŁse et pour avoir apportØ sa rigueur et sa pertinence dans l’analyse du sujet et dans
les questions abordØes lors de la soutenance.
En(cid:28)n, je tiens (cid:224) remercier M. Jean-Paul Vilain, Professeur des UniversitØs (cid:224) l’Uni-
versitØ de Technologie de CompiŁgne, pour avoir acceptØ d’Œtre membre de ce jury de
thŁse. Je souhaite le remercier pour son Øtude approfondie du manuscrit et pour les
remarques constructives dont il m’a fait part avant, pendant et aprŁs la soutenance. Je
voudrais Øgalement insister pour remercier l’enseignant qui m’a, le premier, donnØ goßt
au gØnie Ølectrique, qui m’a donnØ envie de percer les mystŁres de l’ØlectricitØ alors que
mon parcours me dirigeait vers d’autres voies. Je le remercie pour tout (cid:231)a et pour son
immense sympathie.
Je vais poursuivre en remerciant mes collŁgues Valeo pour l’aide et le soutien qu’ils
m’ont apportØ, depuis mon projet de (cid:28)n d’Øtudes jusqu’(cid:224) la soutenance de thŁse. Merci
David, Nadia, Antoine, Jean-Claude, Kouakou, Arnaud, Luc, FX, Michael et Fabrice.
Je voudrais maintenant remercier l’ensemble des membres du Laboratoire d’Elec-
tromØcanique de CompiŁgne pour m’avoir non seulement accueilli mais surtout pour
m’avoir aidØ, conseillØ, averti, remuØ comme si je faisais partie du laboratoire depuis
v
toujours. Je n’oublierai jamais non plus les instants de dØtente journaliers (rØunions de
10h...)etlesinnombrablesfousriressibienfaisants.Aussi,merci(cid:224)Christine,Christophe,
Luc, Vincent, StØphane, Manuela, Jean-Luc, Anne, AgnŁs, Farah, Bogdane, Ferhat, Di-
dier, Manu, Patrice, Arnaud, et Julien. Je me permettrais d’ajouter quelques dØdicaces :
merci (cid:224) Patrice, sans qui rien ne pourrait tourner au laboratoire (j’inclus en tŒte mes
essais!); merci (cid:224) Anne pour avoir simpli(cid:28)Ø tant de fois ma vie administrative, merci aux
jeun’s qui ne sont plus seulement mes collŁgues depuis bien longtemps et en(cid:28)n, merci et
bon courage (cid:224) Julien, ami et partenaire de bureau devant l’Øternel (notre humour com-
mun, (cid:28)n et dØlicat, pŁse dØj(cid:224) par son absence...). Je vais Ølargir le laboratoire quelques
minutes pour inclure ici le dernier survivant de mes camarades de promotion encore
prØsent (cid:224) CompiŁgne. Merci Jojo, pour ta prØsence et tes conseils. Nos quelques soirØes
ensemble ne seront jamais oubliØes.
Je tiens (cid:224) terminer en remerciant mon premier soutien, ma famille. Je remercie mes
parents pour m’avoir toujours poussØ (cid:224) faire ce qui me plaisait, mŒme si cela nous a
conduit (cid:224) des Øtudes bien longues. Jamais ils n’ont exprimØ le moindre doute et m’ont
constamment encouragØ et fØlicitØ tout au long de ce parcours. Je remercie Franck, mon
grand frŁre, pour avoir toujours ØtØ l(cid:224). Ces remerciements ne concernant que ma thŁse,
je ne dØtaillerai pas le fait que je lui doive tant. En(cid:28)n, je remercie et souhaite bon cou-
rage (cid:224) Amandine (PS). Merci de supporter et d’encourager cette passion dØbordante
qui m’occupe autant et ne simpli(cid:28)e pas toujours notre vie. Et bon courage pour le (me)
supporter encore longtemps.
Le dernier mot n’est pas un merci, mais un pardon. Pardon (cid:224) tous ceux que j’ai
oubliØs de citer, amis du DEA (Gareth, Lionel), collŁgues rencontrØs dans di(cid:27)Ørents
congrŁs, amis povtyp (ils se reconna(cid:238)tront) et tous les autres. Merci.
vi
Table des matiŁres
Table des (cid:28)gures ix
Notations xv
Introduction 1
1 Analyse bibliographique 5
1.1 Classement des machines synchrones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.1 Machines (cid:224) rotor bobinØ et (cid:224) p(cid:244)les lisses . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.2 Machines (cid:224) rotor bobinØ et (cid:224) p(cid:244)les saillants . . . . . . . . . . . . 6
1.1.3 Machines (cid:224) double excitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.4 Machines (cid:224) rØluctance variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.5 Machines (cid:224) aimants permanents surfaciques . . . . . . . . . . . . 9
1.1.6 Machines (cid:224) aimants permanents internes . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.7 Machines (cid:224) aimants permanents internes (cid:224) saillance inverse . . . . 11
1.2 Historique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.1 Entra(cid:238)nements (cid:224) vitesse variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.2 DØ(cid:29)uxage et modes de commande . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.3 Etudes comparatives de rØfØrence . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.4 Derniers dØveloppements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3 Equations et commande des MAPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.1 Equations des machines synchrones (Park) . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.2 Equations normalisØes et grandeurs caractØristiques . . . . . . . . 18
1.3.3 ReprØsentation graphique (limites et modes de pilotage) . . . . . 21
1.3.4 Modes de commande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.3.5 Place de l’ADI-MAPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.4 Prise en compte de la saturation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.4.1 Mise en Øvidence de la saturation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.4.2 Classement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.4.3 ModŁles de (cid:29)ux pour la commande . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.5 Prise en compte des pertes fer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.5.1 SØparation des pertes et induction sinuso(cid:239)dale . . . . . . . . . . . 31
1.5.2 Induction non sinuso(cid:239)dale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.5.3 ModØlisation de l’hystØrØsis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
vii
viii TABLE DES MATI¨RES
2 Commande optimale de la MAPI 35
2.1 Principe de la commande optimale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.1.1 NØcessitØ d’une commande optimale . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.1.2 Commande en couple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.1.3 ModŁle de l’axe ØlectromØcanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.1.4 Calcul des grandeurs ØlectromØcaniques . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.1.5 Fonctions d’optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.1.6 Algorithme du calcul des lois de commande . . . . . . . . . . . . 40
2.2 ModŁle de la MAPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.2.1 Flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.2.2 Pertes fer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.3 Recherche de lois de contr(cid:244)le optimales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.3.1 Choix des modŁles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.3.2 RØsultats typiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.4 In(cid:29)uence de la tempØrature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.4.1 Contr(cid:244)le optimal direct (cid:224) tempØrature ØlevØe . . . . . . . . . . . . 52
2.4.2 Contr(cid:244)le optimal adaptatif (cid:224) tempØrature ØlevØe . . . . . . . . . . 53
2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3 ModØlisation dynamique de la MAPI 57
3.1 ModŁle dynamique de la MAPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.1.1 Rappel du modŁle linØaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.1.2 Prise en compte de la saturation - Inversion du modŁle des (cid:29)ux . 59
3.1.3 Prise en compte des pertes fer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.2 Description du modŁle dynamique dØveloppØ . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.1 Consigne de couple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.2 Commande optimale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.3 RØgulation de courant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.4 Onduleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.5 Batterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.2.6 Axe ØlectromØcanique (charge mØcanique) . . . . . . . . . . . . . 65
3.3 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.3.1 Choix d’une stratØgie de rØgulation de courant . . . . . . . . . . . 65
3.3.2 Simulation complŁte d’un cycle de dØmarrage . . . . . . . . . . . 72
3.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4 Validation expØrimentale 77
4.1 Description sommaire des di(cid:27)Ørents ØlØments . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.1.1 Electronique de contr(cid:244)le . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.1.2 Electronique de puissance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.1.3 Banc d’essais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.2 Essais directs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.2.1 Performances en rØgime permanent . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.2.2 Performances dynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Conclusion gØnØrale 95