Modélisation Et Simulation.

162 Pages·2012·1.99 MB·French

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE
Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
UNIVERSITE DES SCIENCES ET DE LA TECHNOLOGIE D'ORAN
Mohamed BOUDIAF

FACULTE DE GENIE ELECTRIQUE
DEPARTEMENT D’ELECTROTECHNIQUE

THESE

Pour l’obtention du Doctorat d’état

SPECIALITE : Electrotechnique
OPTION: Machine Electrique

Intitulé de THESE :
Etude De La Machine Synchrone Autopilotée :

Modélisation Et Simulation.

Mr HACHEM I KADDOUR
Présentée Par
Le ……juillet 2012.

Devant le Jury Composé de :

Mr. M. BOURAHLA PRESIDENT Professeur, USTO
Mr. B. MAZARI RAPPORTEUR Professeur, USTO
Mr. A. MANSOURI EXAMINATEUR Professeur, ENSET ORAN
Mr. A. MERAOUFEL EXAMINATEUR Professeur, U. de Sidi Bel Abbès
Mr. H. SAYAH EXAMINATEUR Professeur, U. de Sidi Bel Abbès
Remerciements

Remerciements

Tout d’abord Je remercie mon directeur de thèse Monsieur Benyounes MAZARI,
Professeur à l’USTO d’ORAN, qui m’a fait l’honneur de me diriger pendant l’essentiel de ce
travail que je présente ici ; je le remercie particulièrement pour sa qualité de patience et de
disponibilité tout au long de ce travail. Son expérience et sa connaissance des machines
électriques et de leur environnement m’ont permis d’assimiler la complexité des phénomènes
mis en jeu tout au long de cette thèse.
Je suis très honoré par la présence de Monsieur M.BOURAHLA, Professeur à
l’Université de Sciences et Technologie Mohamed BOUDIAF d’ORAN qui a bien voulu
accepter d’assurer la responsabilité de Président de jury.
Ma reconnaissance et remerciements vont également à Mr A. MANSOURI, Professeur
à l’E.N.S.E.T.d’ORAN, et Mr. H. SAYAH et Mr. A. MERAOUFEL, tout deux Professeurs à
l’Université Jilalli LIABES de SIDI BEL ABBES, qui ont accepté la lourde tâche d’examiner
ce travail de thèse.
Je remercie tout mes collègues et amis à l’Université Docteur Tahar Moulay de
SAIDA qui m’ont longtemps conseillés et encouragés ainsi que l’apport de leur aide
précieuses.
Enfin, merci à ma famille « ma femme et mes enfants », de m’avoir supporté pendant
les moments difficiles pour l’élaboration de ce modeste travail.

K. HACHEMI.

Etude De La Machine Synchrone autopilotée : Modélisation Et Simulation
Page 1
Les Sommaires

Table de Matières.

Introduction Générale. 12
Chapitre I : Constitution et modélisation de l’onduleur et de la MSAP
1.1 Introduction 14
1.2 Comparaison des machines électriques 14
1.2.1 La Machine à courant continu (MCC) 14
1.2.2 La Machine asynchrone (MAS) 16
1.2.3 La Machine synchrone à réluctance variable (MSRV) 17
1.2.4 La Machine synchrone à rotor bobiné (MSRB) 18
1.2.5 La Machine synchrone à aimants permanents 19
1.3 Choix de la machine synchrone à aimants permanents 23
1.4 Choix du nombre de paires de pôles 24
1.5 Modélisation de la machine synchrone à aimants permanents 25
1.5.1. Autopilotage de la machine synchrone 25
1.5.2 Transformations de Concordia et de Park 28
1.5.2.1 Hypothèses, conventions et symboles 28
1.5.2.2 Matrices de transformations 30
1.5.4 Modèle du moteur synchrone dans le référentiel de Park 33
1.6. Modélisation De L’alimentation Du MSAP 36
1.6.1 Modélisation de l’onduleur 37
1.6.2. Modulation de largeur d'impulsions 40
1.6.2.1. Contrôle des courants par hystérésis 42
1.6.2.2. Contrôle par MLI vectorielle 43
1.7. Résultats de Simulation 51
1.8. Conclusions 55
Chapitre II : Modélisation de la commande et des régulateurs classiques
2.1 Introduction 56
2.2 Modélisation Du Système Onduleur-Machine 57
2.2.1. Modèle De la machine 57
2.2.2. Equations mécaniques 59
2.2.3. Modèle de facteurs influents sur la MSAP 59

Etude De La Machine Synchrone autopilotée : Modélisation Et Simulation
Page 2
Les Sommaires

2.2.4. Modèle de fonction de transfert de la MSAP 61
2.2.5. Fonction de transfert de l’onduleur de tension 62
2.3. Commande Vectorielle De La MSAP 63
2.3.1 Principe 63
2.3.2 Modèle d’alimentation en vue de la commande vectorielle 64
2.3.3. Commande vectorielle par la méthode indirecte 66
2.3.4. Commande vectorielle par la méthode directe 68
2.4. Théorie De La Commande Non Linéaire 69
2.4.1. Linéarisation au sens d’entrée – sortie 70
2.4.2. Conception de contrôleur linéaire par retour d'état 71
2.4.3 Application au MSAP 73
2.5. Présentation des différents Régulateurs 74
2.5.1. Régulateurs linéaires robustes 74
2.5.2. Régulateurs non linéaires 75
2.5.3. Régulateurs intelligents 75
2.5.4. Régulateur industriel PID 76
2.6. Régulateur PI 76
2.6.1. Système d’anti-Windup 77
2.6.2. Régulation par la méthode indirecte 79
2.6.3. Régulation par la méthode directe 81
2.7. Résultats De Simulation 84
2.7.1-Contrôle de vitesse 86
2.7.2-Contrôle de position 89
2.8. Conclusion 90
Chapitre III : Modélisation de la commande par logique floue
3.1. Introduction 91
3.2. Logique floue 91
3.2.1. Principe et définitions 92
3.2.2. Opérateurs et normes 94
3.2.3. Inférence 96
3.2.3.1. Inférence Linguistique et Symbolique 97
3.2.3.2. Matrice d'inférence 97
3.2.4. Méthode d'inférence Max-Min 99
3.2.5. Méthode d'inférence Max-Produit 100
3.2.6. Méthode d'inférence Somme-Produit 101
3.3. Structure d'un régulateur flou 101
3.3.1. Introduction 101
3.3.2. Fuzzification 103
3.3.3. Inférence 104
3.3.4. Défuzzification 107

Etude De La Machine Synchrone autopilotée : Modélisation Et Simulation
Page 3
Les Sommaires

3.4. Définition De La Loi De Commande Floue 109
3.4.1. Structure du contrôleur flou adopté 109
3.4.2. Paramètres du Contrôleur Flou 110
3.5. Résultats de simulation 114
3.5.1 Contrôle de vitesse 114
3.5.2 Contrôle de position 117
3.6. Conclusion 118
Chapitre IV : Modèle d’Observateur pour la commande sans capteur de la MSAP
4.1. Introduction 120
4.2. Estimation De Position Et De Vitesse 121
4.2.1. Calcul Du Flux En Utilisant La Tension Et Les Courants 122
4.2.2. Comparaison entre Valeurs Prédictives Et Valeurs Réelles 122
4.2.3. Techniques utilisant la f.e.m aux bornes de la machine 122
4.2.4. Utilisation des observateurs 122
4.3. Principe de l’estimateur 124
4.4. Etude Générale des Observateurs 126
4.4.1. Principe 126
4.4.2. Observabilité 127
4.4.3. Détermination du gain de l’observateur 128
4.4.4. Synthèse des observateurs 129
4.5. Modèle Du MSAP En Vue De La Commande Sans Capteur 130
4.6. Observateur de Luenberger 132
4.6.1. Structure de l’observateur 132
4.6.2. Mise en équation de l’observateur 133
4.6.3. Résultats de simulation 136
4.7. Observateur de Gopinath 140
4.7.1. Mise en équation du système 140
4.7.2. Conception de l'observateur de Gopinath 142
4.7.3. Résultats de simulation : 145
4.8. Conclusion 149
Conclusion Générale 150
Références 152
Annexes 157

Etude De La Machine Synchrone autopilotée : Modélisation Et Simulation
Page 4
Les Sommaires

Liste des figures

Chapitre I : Constitution et modélisation de l’onduleur et de la MSAP
Fig. 1.1 : Structure d’une machine à courant continu 15
Fig. 1.2 : Structure d’une machine asynchrone à cage d’écureuil ou à rotor massif. 16
Fig. 1.4 : Rotor d’une machine synchrone à réluctance variable. 17
Fig. 1.5: Machine synchrone a rotor bobiné. 18
Fig. 1.6 : Rotors de machines synchrones à aimants permanents. 19
Fig. 1.7 : Principe de la concentration de flux. 20
Fig. 1.8 : Comparaison des structures des machines synchrone et à courant continu. 23
Fig. 1.9 : Autopilotage de la machine synchrone. 26
Fig. 1.10 : - Diagramme de Fresnel pour une f.e.m. sinusoïdale. 27
Fig. 1.11 : Caractéristique couple vitesse d’un moteur synchrone à ω constante. 28
Fig. 1.12 : Référentiel conventionnel. 29
Fig. 1.13 : Application de la transformation de Park au stator de la MSAP. 33
Fig. 1.14 : Modèle du MSAP. 36
Fig. 1.15 schéma de principe d’un onduleur de tension. 37
Fig. 1.16 : Structure de l’onduleur avec les fonctions de commutation. 42
Fig. 1.17 : Principe de réglage par hystérésis. 43
Fig. 1.18 : polygone de commutation. 45
Fig. 1.19 : Principe de commutation. 46
Fig. 1-20 : Algorithme pour déterminer le secteur angulaire. 50
Fig. 1.21 : Description des séquences de conduction des Interrupteurs. 51
Fig. 1.22 : l’autopilotage du MSAP. 52
Fig. 1.23a : les trois phases statoriques. 53
Fig. 1.23b : les courants dans le repère d-q. 54
Fig. 1.23c : Couple et Vitesse. 54
Fig. 1.23d : Tension d’une phase sortie onduleur. 55
Chapitre II : Modélisation de la commande et des régulateurs classiques
Fig. 2.1 : Ensemble Commande-Onduleur-Machine. 57
Fig. 2.2 : modèle fonctionnel de Park du MSAP. 63
Fig. 2.3 : Commande vectorielle avec i nul. 64
d

Etude De La Machine Synchrone autopilotée : Modélisation Et Simulation
Page 5
Les Sommaires

Fig. 2.4 : Schéma de la commande vectorielle des MSAP 65
Fig. 2.5 : Schéma simplifié de la commande vectorielle du MSAP 65
Fig. 2.6 : Schéma de commande vectorielle par la méthode indirecte. 66
Fig. 2.7 : Découplage de la machine. 67
Fig. 2.8 : structure de découplage. 68
Fig. 2.9 : Structure de la commande vectorielle par la méthode directe. 68
Fig. 2.10 : découplage et Compensation. 69
Fig. 2.11: Régulation des courants et de vitesse des MSAP 77
Fig. 2.12: modèle d’Anti-Reset-Windup. 78
Fig. 2.13: Boucle de régulation de vitesse. 79
Fig. 2.14 : Boucle de régulation de position. 80
Fig. 2.15: Boucle de régulation du courant id 81
Fig. 2.16 : Boucle de régulation du courant i 82
d
Fig. 2.17 : Boucle de régulation du courant i 82
q
Fig. 2.18 : Boucle de régulation de vitesse. 83
Fig. 2.19 : Boucle de régulation de position. 84
Fig. 2.20 : modèle de simulation avec contrôleur PI de vitesse. 85
Fig. 2.21 : les courants de phases. 86
Fig. 2.22 : les courants en quadrature. 87
Fig. 2.23 : Vitesse et Couple avec rejet de perturbation dus à la charge. 88
Fig. 2.24 : Poursuite de vitesse et position correspondante. 88
Fig. 2.25 : Poursuite de Position et Vitesse correspondante. 89
Chapitre III : Modélisation de la commande par logique floue
Fig. 3.1 Exemple d'ensembles en logique booléenne 92
Fig. 3.2 Exemple d'ensembles en logique floue. 93
Fig. 3.3 Représentation d'un ensemble flou par sa fonction d'appartenance 93
Fig. 3.4 : Ensemble flou de la variable Température "moyenne". 94
Fig. 3.5 Exemple d'inférence Max-Min 99
Fig. 3.6 Exemple d'inférence Max-Produit 100
Fig. 3.7 Schéma d'un contrôleur flou de vitesse. 101
Fig. 3.8 Structure du régulateur flou 102
Fig. 3.9 Fuzzification de l'erreur 103
Fig. 3.10 Trajectoire dans le plan de phase. 104
Fig. 3.11 Défuzzification par la méthode des hauteurs pondérées. 108
Fig. 3.12 Défuzzification par valeur maximum 109

Etude De La Machine Synchrone autopilotée : Modélisation Et Simulation
Page 6
Les Sommaires

Fig. 3.13 : Boucle de contrôle flou. 110
Fig. 3.14a : Fonction d’appartenance de la variation « de » à trois classes. 112
Fig. 3.14b : Fonction d’appartenance de l’erreur « e » à cinq classes. 112
Fig. 3.14c : Fonction d’appartenance de « du » à sept classes. 112
Fig. 3.15 Surface caractéristique du contrôleur flou de vitesse. 113
Fig. 3.16 : modèle de simulation avec CF de vitesse intégré. 114
Fig. 3.17 : Les trois phases statoriques 115
Fig. 3.18 : Allures des courants en quadrature Id puis Iq. 115
Fig. 3.19a : Réponses Vitesses et couples électromagnétiques 116
Fig. 3.19b : Réaction lors de la variation de la charge. 116
Fig. 3.20 : Réponses des courants et couple. 117
Fig. 3.21 : Réponses de position et de vitesse. 118
Chapitre IV : Modèle d’Observateur pour la commande sans capteur de la MSAP
Fig. 4.1 : commande avec observateur 123
Fig. 4.2 : Repères (d-q) et (γ-δ) et Composantes (γ-δ) de la f.e.m. 124
Fig. 4.3 : Principe de l’observation d’états 130
Fig. 4.4 : structure d’un observateur d’état 133
Fig. 4.5 : Principe de commande sans capteur par l’observateur de Luenberger. 137
Fig. 4.6 : Observation du Courants I et de la Position du rotor. 138
a
Fig. 4.7 : Observation de la Vitesses et du Couple 138
Fig. 4.8 : Détail de la vitesse et du couple au démarrage. 139
Fig. 4.9 : Observation des Courants I et I . 139
d q
Fig. 4.10 : Observation des Détails de la vitesse et du couple 140
Fig. 4.11 : Principe de commande sans capteur par l’observateur de Gopinath. 145
Fig. 4.12 : Observation du Courants I et de la Position du rotor. 146
a
Fig. 4.13 : Observation de la Vitesses et du Couple 146
Fig. 4.14 : Observation des Courants I et I . 147
d q
Fig. 4.15 : Détails de la vitesse et du couple 147

Etude De La Machine Synchrone autopilotée : Modélisation Et Simulation
Page 7
Les Sommaires

Liste des Tableaux

Tab. 1.1 : Caractéristiques des machines synchrones à aimants permanents. 21
Tab. 1.2 : Valeurs des vecteurs de tension. 45
Tab.1.3 : calcul des durées de modulation. 48
Tab 1.4 : caractéristique du MSAP. 53
Tab 2.1 : coefficients de régulateurs de vitesse 86
Tab 2.2 : coefficients des régulateurs de position 89
Tab 3 1 : Matrice d’inférence à deux dimensions. 97
Tab 3.2 : Matrice d’inférence à trois ensembles flous. 105
Tab 3.3 : Matrice d’inférence à cinq ensembles flous- choix I. 105
Tab 3.4 : Matrice d’inférence à cinq ensembles flous- choix II. 106
Tab 3.5 : Matrice d’inférence à cinq ensembles flous- choix III. 106
Tab 3.6 : Matrice des règles d’inférences. 111
Tab 3.7 : Paramètres des régulateurs PI 113

Etude De La Machine Synchrone autopilotée : Modélisation Et Simulation
Page 8
Liste des symboles

LISTE DES SYMBOLES

MSAP : Machine (ou moteur) synchrone à aimants permanents.
MSRB : Machines synchrones à rotor bobiné
MSRV : Machines synchrones à réluctance variable
MAS : Machines asynchrones
MCC : Machines à courant continu
MLI : Modulation de largeur d'impulsion.
FMM : Force magnétomotrice.
FEM : Force électromotrice.
CF : Contrôleur à logique floue.
PI : Régulateur Proportionnel Intégral.
d-q : Système d’axes longitudinal et transversal (transformation de Park).
v : Tensions de phases statoriques.
abc
i : Courants de phases statoriques.
abc
I : Amplitude des courants statoriques
s
λ : Flux totaux produits par les courants statoriques.
abc
λ : Composante longitudinale du Flux
d
λ : Composante transversale du Flux
q
R : résistance d'une phase statorique.
s
L : inductance propre d'une phase statorique.
s
M : Inductance mutuelle entre deux enroulements statoriques.
s
M : inductance mutuelle entre l’inducteur et une phase de l’induit.
f
L . Inductance de fuite.
fs
L : Inductance de magnétisation.
m
L : Inductance dans l'axe longitudinal.
d
L : Inductance dans l'axe transversal.
q

Etude De La Machine Synchrone Autopilotée : Modélisation Et Simulation
Page 9