commande dynamique d'une machine synchrone à aimants permanents alimentée en tension

85 Pages·2016·4.23 MB·French

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE

MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIE UR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
UNIVERSITE M’HAMED B OUGARA- BOUMERDES

FACULTE DES SCIENCES DE L’INGENIEUR

DEPARTEMENT DE MAINTENANCE INDUSTRIELLE

MEMOIRE DE FIN D’ETUDES

En vu de l’obtention du diplôme de MASTER en Machines Electriques

COMMANDE DY NAMIQUE D’UNE
MACHINE SYNCHRONE À AIMANTS
PERMANENTS ALIMENTÉE EN TENSION

Présenté par: Promoteur:

Mr: MAAROUK Abdelatif Dr: GROUNI Saïd

Juin 2016
REMERCIEMENTS

Je souhaite tout particulièrement exprimer ma gratitude à
mon encadreur, Docteur GROUNI Saïd, de l’université de
m’Hamed BOUGARA - Boumerdes, pour la confiance qu'il m'a
témoignée en m'accueillant dans son équipe de formation et de
m’avoir offert un sujet de fin d’études d’actualité et de nouvelle
tendance technologique pour différentes applications pratiques et
industrielles. « Merci surtout de m’avoir accompagné malgré ton
emploi du temps très chargé ».
Je tiens à remercier, Mr KRIM Mohamed, mon chef de
service au travail, pour son soutien et son appui tout le long de
l’année, aussi pour le climat qu’il m’a offert pour parfaire cette
formation. « Merci infiniment».
Je remercie également Docteur KHALFI Kamel, Chef de
département de Génie Electrique à la Faculté des Sciences de
l’Ingénieur de l’université de M’Hamed BOUGARA – Boumerdes,
pour sa coopération et son affabilité rare.
Je remercie aussi Docteur AIBACHE Abderazzak, enseignant
au département de Génie Electrique à la Faculté des Sciences de
l’Ingénieur de l’université de M’Hamed BOUGARA – Boumerdes,
pour son soutien moral précieux qui m’a donné du courage à
continuer à travailler dans ce mémoire.
Je remercie autant Mr KIRAT Abderrahmane, de la faculté
des Hydrocarbures et de la Chimie de l’université de m’Hamed
BOUGARA – Boumerdes, pour les efforts qu'il a fournis en
m’accompagnant pour l’élaboration de ce projet.
Je remercie tous les enseignants du département de génie
électrique.
Je suis profondément reconnaissant, je n'oublierais jamais
l’ambiance de toute l’équipe de formation du Génie Electrique.
DEDICACE

Je dédie ce modeste travail, à l’être le plus cher que j’ai au
monde, ma mère.

A l’âme de mon défunt père, que je prie Dieu, le tout Puissant
de l’accueillir dans son vaste paradis.

A mes sœurs et frères, Dalila, Salim, Nora, Wahiba et Nabil.

A ma femme et mes enfants, Malak et Abderrahmane.

A tout mes amis et collègues.
SOMMAIRE
Sommaire

SOMMAIRE

Abréviations et notations………………………………………………………..….....A
Tables des figures…………………………………………………………………… a
Introduction générale…………………………………………………………..……...1

CHAPITRE I
Généralités sur les machines synchrones
à aimants permanents

I.1) Introduction ……………………………………………………………………...3
I.2) Présentation de la machine synchrone a aimants permanents …………………...3
I.2.1) Structure des inducteurs des machines a aimants ……………………….. 5
I.2.1.1) Structure sans pièce polaire (SPP) ………………………….……..5
a) Aimantation radiale………………………………………………. 5
b) Aimantation tangentielle………………………………….…………5
I.2.1.2) Structure avec pièce polaire (APP)……………………….………..6
a) Aimantation radiale……………………………………….……… 6
b) Aimantation tangentielle……………………………………………6. .
I.2.2) Propriétés d’aimant permanent………………………………………..…..6.
I.2.3) Choix d’aimants permanents utilises pour la msap…………………..……8
I.3) Avantages des machines synchrones a aimants permanents………………….….9
I.4) Domaine d’application ……………………………………………………….….9
I.5) Conclusion…………………………………………………………………….….9

CHAPITRE II
Modélisation de la machine synchrone
à aimants permanents

II.1) Introduction………………………………………………………………….….1.0
II.2) Hypothèses simplificatrices………………………………………………….…10
II .3) Modélisation de la MSAP………………………………………………….…..1. 0
II.3.1) Mise en équation de la MSAP en triphasé (modèle en abc)……………..10

a) Equation électrique………………………………………………...10
b) Equation électromagnétique…………………………………….…12
c) Equation mécanique…………………………………………….…1. 2
d) La puissance absorbée…………………………………………..…1.2
II.3.2) Mise en équation de la MSAP en diphasé (model vectoriel)………….…13
II.3.2.1) Principe de la transformation de Park………………………….…13
a) Passage direct : du triphasé au diphasé…………………………….1.3
b) Passage inverse : du diphasé au triphasé………………………….14
II.3.2.2) Principe de la transformation de Concordia……………………...1.4
a) Passage direct : du triphasé au diphasé…………………………….15
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Sommaire

b) Passage inverse : du diphasé au triphasé……………………………15
II.3.2.3) Passage du repère (d,q ) au repère ( , )……………….…...15
II.3.3) Modélisation de la MSAP dans le repère de Park…………………….…1. 6
a) Equation électrique………………………(cid:573)…(cid:574)………………………1…6
b) Equation électromagnétique…………………………………………16
c) Equation mécanique…………………………………………………16. .
II.3.4) Mise sous forme de l’équation d’état………………………………..……17
II.4) Modélisation de convertisseur………………………………………………..…1.8
II.4.1) Modélisation du redresseur………………………………………….…...19
II.4.2) Modélisation du filtre…………………………………………………..…19
II.4.3) Modélisation de l'onduleur…………………………………………..……20
II.4.3.1) Définition de l’onduleur de tension………………………….……20
II.4.3.2) Modélisation de l’onduleur de tension……………………….…..2. 1
II.4.3.3) Commande de l’onduleur…………………………………….…..2. 1
a) Principe de la commande MLI…………………………………….2. 1
b) Caractéristique de la MLI……………………………………………22
II.5) Simulation numérique………………………………………………….……….2. 5
II.5.1) Résultats de simulations (MSAP en charge - onduleur)…………….……26
26
a) Sans onduleur MLI…………………………………………………..
26
b) Avec onduleur MLI………………………………………………….
II.5 .2) Interprétation des résultats…………………………………………….. 27
II.6) Conclusion……………………………………………………………………....27

CHAPITRE III
Commande vectorielle de la machine
synchrone à aimants permanents

III.1) Introduction……………………………………………………………………28
III.2) Principe de la commande vectorielle…………………………………………..28
III.3) Commande vectorielle direct par compensation……………………………..…3.0
III.3.1) Techniques de découplage…………………………………………….. 30
III.3.2) Découplage par compensation…………………………………………..30
III.4) Détermination des régulateurs…………………………………………………3..3
III.4.1) Description du système global………………………………………… 33
III.4.2) Calcul des régulateurs……………………………………………………33
III.4.3) Dimensionnement des régulateurs……………………………………………3.5
a) Régulateur du courant « »………………………………………3…5
b) Régulateur du courant « »…………………………………………36
c) Régulation de la vitesse…(cid:1869)…………………………………………3..7
III.5) Limitation des courants……………… ………………………………………..39
III.6) Schéma global de simulation…………………………………………………..40
III.6.1) Résultats de simulation………………………………………………….41
III.7) Interprétation des résultats………………………………………………………41
III.8) Conclusion……………………………………………………………………..42

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CHAPITRE IV
Commande backstepping de la machine
synchrone à aimants permanents

IV.1) Introduction…………………………………………………………………….43
IV.2) Principe de la commande Backstepping…………………………………………43
IV.2.1) Fonctions de Lyapunov…………………………………………………4.4
IV.3) Méthode récursive de conception de Backstepping……………………………44
IV.3.1) 1ère étape Calcul de la première commande virtuelle…………………..45
IV.3.2) 2ème étape Calcul de la deuxième commande virtuelle………………….46
IV.3.3) La nème étape Calcul de la loi de commande finale……………………..47
IV.4) Application du backstepping a la commande du msap…………………………48
IV.4.1) 1ère étape - Calcul de la loi de commande …………………………4.9
é
IV.4.2) 2ème étape - Calcul de la loi de commande virtuelle i …………………50
qréf
IV.4.3) 3ème étape -Calcul de la loi de commande fin(cid:1870)ale v …………………51
qréf
IV.5) Résultats de simulation………………………………………………………..52
IV.6) Commande Backstepping avec action intégrale………………………………55
IV.7) Résultats de simulation…………………………………………………………5.6
III.7.1) Test de robustesse aux variations paramétriques………………………..58
IV.7.2) Comparaison des trois régulateurs pour une vitesse de 100 tr/mn……..59
IV.8) Conclusion………………………………………………………………………60
Conclusion générale……………………………………………………………………61
Annexe…………………………………………………………………………………62
Bibliographie…………………………………………………………………………6..3

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TABLE DES FIGURES
Table des figures

Table des figures

Page
1.1 Machine synchrone à aimants permanents……………………………………………….. 3
1.2 Stator d’une machine synchrone…………………………………………………………… 4
1.2.a Photographie d’un rotor MSAP ………………………………………………………….. 4
1.3 Machine synchrone à aimants (P=2), sans pièce polaire, Aimantation radiale…………….. 5
1.4 Machine synchrone à aimants (P=2), sans pièce polaire, Aimantation tangentielle………. 5
1.5 Machine synchrone à aimants (P=2), avec pièce polaire, Aimantation radiale…………… 6
1.6 Machine synchrone à aimants (P=4), avec pièce polaire, Aimantation tangentielle……….. 6
1.7 Courbe de désaimantation d’un matériau pour aimant permanent……………………….. 7
1.8 Caractéristique B(H) de l’aimant permanent idéal…………………………………………. 7
1.9 Caractéristiques des aimants permanents…………………………………………………. 8

2.1 Représentation d’une machine synchrone à aimants permanents dans le repère triphasé….. 11
2.2 Schéma équivalent de la MSAP dans le repère (d,q)………………………………………. 13
2.3 Modèle de la machine dans le repère de Park………………………………………………. 18
2.4 Schéma de principe de l’association convertisseur –machine…………………………….. 19
2.5 Représentation de Redresseur à diodes…………………………………………………... 19
2.6 Représentation d’un filtre “Lc”…………………………………………………………….. 20
2.7 Schéma de l’association MSAP-onduleur de tension…………………………………….. 21
2.8 Principe de la commande MLI…………………………………………………………… 22
2.9 Schéma équivalent de l’onduleur à MLI 23
2.10 Schéma de l’onduleur sur simulink………………………………………………………… 24
2.11 Schéma bloc de la machine MSAP avec et sans onduleur MLI………………………….. 25
2.12 Les résultats de la simulation de la machine avec et sans l’onduleur MLI……………….. 26

3.1 Fig. III.1 : Principe de la commande vectorielle………………………………………………29
3.2 Fig. III.2 : Modèle de MSAP commandé à flux orienté à I nul……………………………..29
d
3.3 Fig. III.3 : Description de couplage………………………………………………………… 30
3.4 Principe de découplages par compensation……………………………………………….. 31
3.5 Structure générale : (machine-découplage par compensation)……………………………. 32
3.6 Commande découplée………………………………………………………………………..32
3.7 Schéma bloc de la commande vectorielle avec compensation des f.e.m…………………… 33
3.8 Régulateur PI……………………………………………………………………………….. 34
3.9 Boucle de régulation du courant I …………………………………………………………. 35
q
3.10 Boucle de régulation du courant I …………………………………………………………..37
d
3.11 Boucle de régulation de vitesse…………………………………………………………….. 37
3.12 Boucle de régulation de vitesse……………………………………………………………….3.8
3.13 Boucle de régulation de vitesse avec limitation du courant………………………………….39
3.14 Régulateur PI avec anti-windup………………………………………………………….. 40
3.15 Schéma bloc de simulation de la commande vectorielle avec réglage classique (PI)………..40
3.16 Résultats de simulation de la commande vectorielle du MSAP avec réglage (PI)………… 41

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Table des figures

4.1 Structure globale du réglage de la vitesse du MSAP par backstepping…………………… 48
4.2 Structure interne du bloc régulateur backstepping…………………………………………. 49
4.3 Comportement de la vitesse du MSAP réglée par backstepping…………………………….53
4.4 Comportement des courants et du couple………………………………………………….. 53
4.5 Comportement de la vitesse de la MSAP réglée par backstepping………………………….54
4.6 Comportement de la vitesse de la MSAP réglée par backstepping avec l’action intégrale. 57
4.7 Comparaison de la vitesse réglée par backstepping avec et sans l’action intégrale………. 57
4.8 Comportement de la vitesse du MSAP réglée par backstepping avec l’action intégrale –
cas de la variation de la résistance statorique R du MSAP……………………………… 58
s
4.9 Comportement de la vitesse du MSAP réglée par backstepping avec l’action intégrale –
cas de la variation du moment d’inertie J du MSAP…………………………………….. 58
4.10 Comparaison du comportement de la vitesse de la MSAP réglée par PI et backstepping
avec action intégrale……………………………………………………………………... 59

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