UNIVERSITE KASDI MERBAH OUARGLA Faculté des Sciences Appliquées Département de Génie Electrique Mémoire MASTER ACADEMIQUE Domaine : Sciences et technologies Filière : Electrotechnique Spécialité : Machines électriques et électronique de puissance Présenté par : Chadou Ilham Bendania Soumia Thème : Soutenu publiquement Le :../../…. Devant le jury : Année universitaire 2016/2017 M r Djarah Djalal MA (A) Président UKM Ouargla M r Khattache Laid MA (A) Encadreur/rapporteur UKM Ouargla M r Zehani Soraya MA (A) Examinateur UKM Ouargla Commande Robuste d'un Moteur Synchrone à Aimants Permanents Double étoiles
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Commande Robuste d'un Moteur Synchrone à Aimants ... -Bendania.pdf · Commande Robuste d'un Moteur Synchrone à Aimants Permanents Double étoiles . Remerciement Avant tout, nous
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UNIVERSITE KASDI MERBAH OUARGLA
Faculté des Sciences Appliquées
Département de Génie Electrique
Mémoire MASTER ACADEMIQUE
Domaine : Sciences et technologies
Filière : Electrotechnique
Spécialité : Machines électriques et électronique de puissance
Présenté par :
Chadou Ilham Bendania Soumia
Thème :
Soutenu publiquement
Le :../../….
Devant le jury :
Année universitaire 2016/2017
Mr Djarah Djalal MA (A) Président UKM Ouargla
Mr Khattache Laid MA (A) Encadreur/rapporteur UKM Ouargla
Mr Zehani Soraya MA (A) Examinateur UKM Ouargla
Commande Robuste d'un Moteur
Synchrone à Aimants Permanents
Double étoiles
Remerciement
Avant tout, nous remercions ALLAH tout puissant
de nous avoir donné le courage, la volonté, ET la
patience pour terminer Ce travail.
Nos vifs et sincères remerciements s’adressent tout
particulièrement à notre Université de Kasdi Merbah
– Ouargla-, qui nous a procuré une bonne formation.
En premier lieu, nous tenons à remercier tout
d'abord notre encadreur : Monsieur KHATTACHE
LAID, Maitre-assistant à l'université Kasdi Merbah -
Ouargla- d'avoir offrir l'opportunité de réaliser Ce
travail et de bien vouloir accepter de le diriger avec
beaucoup de compréhension.
Nous n'oublions pas de remercier les mombres de
jury Mr DJARAH DJALAL, MAA à la Faculté de
sciences appliquée de l'université de Kasdi Merbah-
Ouargla; pour accepté de présidé Ce travail.
Nous n'oublions pas de remercier les mombres de
jury Mme ZEHANI SORYA, MAA à la Faculté de
sciences appliquée de l'université de Kasdi Merbah-
Ouargla; pour accepté d’examiné Ce travail.
Nous tenons à remercie aussi Mr Bourekyacine qui
nous a fourni une aide et des conseils.
Nous tenons à remercie aussi: toutes les personnes
qui ont participés de près ou de loin pour la
réalisation de Ce travail.
En fin, nous remerciement à l'en droit de tous notre
Amis en particulier, ceux de notre promotion
2016/2017
Dédicaces
A mes parents avec toute ma gratitude pour toutes ces
Années de sacrifices et encouragement
A mes frères
A mes sœurs
A toute ma famille.
A tous mes Amis ….
A tous ceux que j’aime
Je dédie ce travail.
Soumia
Dédicaces
A mon père décédé …...et à ma mère avec toute ma
gratitude pour toutes ces
Années de sacrifices et encouragement
A mes sœurs
A mes frères
A toute ma famille.
A tous mes Amis ….
A tous ceux que j’aime
Je dédie ce travail.
ILHAM
Liste des figures
CHAPITRE I: Modélisation et simulation de MSAPDE
Figure(I.1) représentation schématique du modèle de Park de la MSAPDE 07
Figure(I.2) La représentation schématique de la machine dans le repère (𝑑, 𝑞). 07
Figure (I.3) : Différents couples qui agissent sur le rotor. 09
Figure(I.4) schéma block de MSAPDE 10
Figure (I.5) La vitesse de rotation 10
Figure (I.6) Le couple électromagnétique 11
Figure (I.7) Coutant statorique (stator 1) 12
Figure (I.8) Coutant statorique (stator 2) 12
Chapitre II: Commande vectorielle de la MSAPDE
Figure(II.1) Machine à courant continu 13
Figure (II.2) Reconstitution des tensions 𝑉𝑑1𝑒𝑡𝑉𝑞1. 15
Figure(II.3) Principe de découplage par compensation 16
Figure(II.4) Boucle de régulateur du courant𝐼𝑑1 16
Figure(II.5) boucle de régulation de vitesse 18
Figure(II.6)Schéma block de commande vectorielle du MSAPDE 19
Figure (II.7) La vitesse de rotation 20
Figure (II.8) Le couple électromagnétique. 20
Figure (II.9) Coutant statorique (stator 1) 21
Figure (II.10) Coutant statorique (stator 2) 21
Chapitre III: Régulateur RST
Figure (III.01) Représentation générale du régulateur RST 25
Figure (III.02) Bloc de régulation de vitesse en boucle fermée 29
Figure(II.3)Schéma block du MSAPDE avec régulateur RST 33
Figure (III.04) Vitesse mécanique 33
Figure (III.05) Couple électromagnétique 34
Figure (III.06) Courant statorique (stator 1) 34
Figure (III.07) Courant statorique (stator 2) 35
Figure (II.08) Test de variation 37
Liste des abréviations
Symbole : Notation
MSAPDE : machines synchrones à aimants permanents double étoile
PI : Régulateur proportionnelle intégrale
d-q : Axes longitudinal et transversal (transformation de Park)
𝑅𝑆1Résistance statorique par phase de stator 1
𝐿𝑑 : Inductance suivant l'axe d
𝐿𝑞 : Inductance suivant l'axe q
𝐼𝑑1 : Le courant statorique de l'axe d
𝐼q1: Le courant statorique de l'axe q
𝐼𝑑2 : Le courant statorique de l'axe d
𝐼q2: Le courant statorique de l'axe q
𝑉𝑑1: La tension statorique de l'axe d
𝑉𝑞1: La tension statorique de l'axe q
𝑉𝑑2: La tension statorique de l'axe d
𝑉𝑞2: La tension statorique de l'axe q
𝑄𝑟 : Flux rotorique (constant)
Wm : Vitesse mécanique
P : Nombre de paire de pôles
J : Moment d'inertie du rotor
𝐶𝑟 : Couple de charge
P : Transformation de Park
Ce : Couple électromagnétique
𝑖dref : Le courant référence statorique
𝑖qref : Le courant référence statorique
𝑊𝑟𝑒𝑓 : Vitesse de référence
𝑉a∗ , Vb
∗ , Vc ∗ : Tension de référence
𝑖𝑑∗ : Courant de référence
𝐾𝑝𝑑𝐾𝑖𝑑 : Coefficient de régulateur PI
𝑀𝑑 : inductance mutuelle
a ,b ,c :axes liés aux enroulements triphasés
p : nombre de paires de pôles
𝜃 : position angulaire du rotor par rapport au stator.
[𝑃𝑆1(𝜃)]: Matrice de transformation de Park (stator 1)
[𝑃𝑆2(𝜃)]: Matrice de transformation de Park (stator 2)
[𝑃𝑆1(𝜃)]−1: Matrice de transformation inverse de Park (stator 1)
[𝑃𝑆1(𝜃)]−1: Matrice de transformation inverse de Park (stator 2)
𝑉𝑎 𝑉𝑏 𝑉𝑐 : Tension statorique de la phase a ,b et c.
𝑉𝑠: Tension statorique.
𝑖𝑎 𝑖𝑏 𝑖𝑐 : courant statorique de la phase a ,b et c.
𝑖𝑠 : Courant statorique.
𝐿𝑑1: Inductance statorique de l'axe d (stator 1)
𝐿𝑞1 : Inductance statorique de l'axe d (stator 1)
𝐿𝑑2 : Inductance statorique de l'axe d (stator 2)
𝐿𝑞2 : Inductance statorique de l'axe q (stator 2)
𝑄𝑎 𝑄𝑏 𝑄𝑖𝑐:Flux statorique de la phase a ,b et c.
𝑄𝑠 : Flux statorique.
RST: coefficients de régulateur
Sommaire
Liste des figures
Liste des abréviations
Introduction générale
01
Chapitre I : Modélisation et simulation de MSAPDE
I.1. Introduction 03
I.2. présentation de la machine synchrone à aiment permanents double étoiles 03
I.2.1.Description de la machine synchrone a aimant permanant 03
I.2.2. Classification de MSAPDE 03
I.3. Les avantages des machines synchrones à aimants permanentes double étoiles 04
I.4. Inconvénients des machines synchrones à aimants permanents double étoiles 04
I.5. Modélisation de la machine SAPDE 04
I.5.1. Modèle MSAPDE 04
I.5.2. Mise en équations dans le repère (abc) 05
I.5.2.1 Équationsélectriques 05
I.5.3.Transformation triphasée-diphasé 06
I.5.3.1.Principe de transformation du Park 06
I.5.4.Modèle biphasé de la machine (repère d,q) 07
I.5.4.1. Équation électrique 08
I.5.4.2. Équation magnétiques 08
I.5.4.3. Équation mécanique 08
I.5.5. La forme matricielle 09
I.6. Simulation 10
I.7. Résultats de simulation 10
I.7.1. Discussion et analyse 12
I.8. Conclusion 12
Chapitre II Commande vectorielle de MSAPDE
II.1. Introduction 13
II.2. Principe de la commande vectorielle de la MSAPDE 13
II.3. Technique de découplage 14
II.3.1 Découplage par compensation 15
II.4. régulateursdes courants 16
II.5. régulateur de la vitesse 18
II.6. Simulation 20
II.6.1. Schéma block 20
II.6.2. Résultats et discussion 20
II.7. Conclusion 23
Chapitre III : Régulateur RST de MSAPDE
III.1 Introductio 24
III.2 Structure du Régulateur RST 24
III.2.1 Principe du régulateur 24
III.2.2 Principe de calcul de régulateur RST 26
III.2.3 Résolution de l’équation de Bézout 27
III.3 Régulation de la vitesse de type RST 29
III.4. simulation 33
III.4.1. Schéma block 33
III.4.2 Résultats de simulation 33
III.4.2.1 Tests de poursuit 33
III.4.2.2 Test de variation paramétrique (robustesse) 35
III.5. Conclusion 37
Conclusion Générale 38
Bibliographie 39
Annexe :Les paramétres de la machine
Introduction
Introduction
Université Kasdi Merbah Ouargla 1
Introduction générale
Pendant les deux dernières décennies, il y a eu un développement dans des méthodes de
conception pour commande des systèmes dynamique non linéaires.
Historiquement le moteur à courant continu a parfaitement assuré le fonctionnement de la
plupart d'équipement industriel. Cependant son principal défaut reste le collecteur mécanique
que l'on tolère mal dans certains environnements et qui fait augmenter les couts d'entretien.
Ces contraintes ont dirigé les études vers les entrainements équipés de machine à courant
alternatif [1].
Les nouvelles applications industrielles nécessitent des variateurs de vitesse ayant des hautes
performances dynamique, une bonne précision en régime permanent, une haute capacité de
surcharge sur toute la plage de vitesse et une robustesse aux différentes perturbations. Ces
dernières années plusieurs techniques ont été développées pour permettre au variateur
d'atteindre ces performances [2].
La commande vectorielle permet d'avoir une dynamique proche de celle de la machine à
courant continu, autrement dit, une dynamique asymptotiquement linéaire et découplée.
Cependant, cette structure de commande en utilisant des régulateurs classique de type PI
nécessite que les paramètres de la machine soient précis (la variation paramétriques internes et
externes du système dues à la température, l'humidité, et aux surcharge occasionnelles
engendrent la perte de la stabilité des régulateurs classiques considérés). Ceci exige une bonne
identification des paramètres, En conséquence, le recours à des régulateurs de commande
robuste pour maintenir un niveau de découplage et de performances acceptable, est nécessaire
[2-3]
La commande recherchée pour un procédé doit assurer certaines propriétés notamment le
suivi d'une consigne malgré la présence de phénomène perturbateurs. Cette commande devra
être compatible avec les contraintes dynamiques que l'on a sur le processus à commander la
diversité des structures de commande est essentiellement liée aux objectifs donnés par le
cahier des charges. Parmi ces structures, On utilisera une méthode de régulation, par la
structure d'un régulateur RST. Cette dernière repose sur un principe formel de manipulation
de polynômes [4].
Introduction
Université Kasdi Merbah Ouargla 2
L'objectif principal de notre travail, C'est d'étudier la structure d'un régulateur RST et
d'essayer de l'appliquer au réglage de la vitesse ou pour suite d'un moteur synchrone à aimant
permanent double étoiles.
Ce mémoire présenté est organisé en trois chapitres :
Le premier chapitre concerne, la modélisation et simulation de MSAPDE
Le deuxième chapitre fera l'objet de l'application de la commande vectorielle à la
MSAPDEou la vitesse est réglée par un régulateur classique de type PI
Le troisième chapitre on abordera l'étude de la commande par régulateur RST, on
détaillera d'abord sa structure puis on essayera de l'appliquer à MSAPDE
On terminera par une conclusion générale ainsi d’une bibliographie indiquant
Quelques sources d’information utilisées.
Chapitre I
Modélisation et simulation de moteur
synchrone à aimant permanent double étoile
Chapitre I Modélisation et simulation de la MSAPDE
Université Kasdi Merbah Ouargla 3
I.1. Introduction
En raison de sa puissance massique élevée, la machine synchrone à aimant permanant
double étoiles a bien mérité sa place dans les applications nécessitant des performances
dynamiques et statiques très élevées. Son principal avantage réside dans l'absence de contacts
électrique glissants, ce qui conduit à une structure simple et faible. Cette simplicité
s'accompagne toutefois d'une grande complexité physique liée aux interactions
électromagnétiques entre le stator et le rotor.
Ce chapitre comporte une modélisation et simulation de la machine synchrone à
aimant permanent double étoile (MSAPDE).
I.2. présentation de la machine synchrone à aiment permanents double
étoiles
Le moteur synchrone à aimant permanent double étoiles (MSAPDE) présente deux
stator semblable au stator de la machines asynchrone à cage. Mais avec un changement des
bobinages rotorique par un aimant permanent qui apportée beaucoup de simplicité comme
l'élimination des ballais (donc les pertes rotorique) [2].
I.2.1.Description de la machine synchrone a aimant permanant
La machine synchrone est devenue attractive et concurrent à la machine à induction
dans le domaine des systèmes d'entrainements électriques. Le grand avantage de cette
dernière est l'élimination des pertes par glissement. En particulier, la machine à aimants
permanents est utilisée largement dans plusieurs applications. Comme les machines-outils, la
robotique, les générateurs aérospatiaux et les véhicules électrique. Cette large utilisation est
devenue possible avec les hautes performances des aimants permanents. Surtout avec le
progrès technologique enregistré dans ce domaine qui a permis de concevoir des
servomoteurs à aimants de plus en plus performants. Ces derniers sont actuellement les mieux
placés pour répondre aux exigences de telles applications [5-6].
I.2.2. Classification de MSAP
Il peuvent étre classée en deux groupes:
Les machines à démarrage direct, avec un enroulement amortisseur pour développer
le couple de démarrage.
Chapitre I Modélisation et simulation de la MSAPDE
Université Kasdi Merbah Ouargla 4
Les machines alimenteés par des oduleurs, généralement ne possédent pas
d'enroulements amortisseurs, qui présentent des performances très intéressantes[7].
I.3. Les avantages des machines synchrones à aimants permanentes double
étoiles
Lors de construction des machines synchrones à aimants permanents double étoiles
l'utilisation des aimants permanents a la place des bobinages d'excitation offrent beaucoup
d'avantage [8-9] :
Suppression de l'alimentation du rotor (absence du contact bagues balais).
Moins des pertes de cuivre, les pertes viennent surtout du stator.
Facteur de puissance et rendement du moteur est améliorées.
Une meilleure performance dynamique.
Construction et maintenance plus simple.
Pas d'échauffement au rotor, et absence des pertes joules.
I.4. Inconvénients des machines synchrones à aimants permanents double
étoiles [10]
Prix des aimants le rend plus cher.
La présence de pulsation de couple.
Risque de désaimantation, ce qui limite l'utilisation par les des contraintes. comme
la température max, courant max….etc.
Pertes par courant de Foucault dans les aimants.
I.5. Modélisation de la machine MSAPDE
I.5.1. Modèle MSAPDE
Le comportement dynamique de la MSAPDE est caractérisé par trois types de
grandeurs : électriques, magnétiques et mécaniques. Ce comportement peut se traduire par
trois types d’équations : équations électriques, équations magnétiques et équations
mécaniques. Quand on modélisé aux équations mécaniques, elles seront introduites à la fin de
la modélisation de MSAPDE.
En plus de plus, pour simplifie la modélisation de cette machine on prendre en tenant
compte les hypothèses suivantes :
Chapitre I Modélisation et simulation de la MSAPDE
Université Kasdi Merbah Ouargla 5
-la machine n'est pas saturée
-les pertes fer et l'effet amortisseur sont négligée
-les pertes par hystérésis et par courants Foucault sont négligées
-L'effet de peau est négligé
-Le couplage capacitif des enroulements est négligé
-La perméabilité des aimants est considérée comme voisine de celle de l'air
-L'effet d'amortisseurs est négligé
-le rotor est supposé lisse de point de vue magnétique
-Les f.é.m. sont sinusoïdales
En cons11équence, les inductances de la machine sont constantes et indépendantes de la
position du rotor
I.5.2. Mise en équations de la MSAPDE dans le repère (abc)
Kp1=Ls1/taux; coefficient de régulateur de courant stator 1
Kp2=Ls2/taux; coefficient de régulateur de courant stator 2
Ki1=Rs1/taux; coefficient de régulateur de courant stator 1
Ki2=Rs2/taux; coefficient de régulateur de courant stator 2
Kpw=J*(9.5/0.2)-Kf; coefficient de régulateur de vitesse
Kiw=J*(4.75/0.2)^2; coefficient de régulateur de vitesse
T0=Kpw/Kiw;
Résumé
Ce mémoire présente la modélisation et simulation du moteur synchrone à aimant
permanant double étoile. La méthode de commande vectorielle permet de maintenir
parfaitement le découplage entre le couple et le flux, et rendra la machine synchrone a aimant
permanent double étoile similaire à une machine à courant continu, cependant, l régulation PI
donne des résultats acceptables mais pas aussi performances.
Cette nouvelle technique de régulation ''RST '', a permis de répondre aux objectifs
espérés, notamment, le rejet de perturbations, le suivi de consigne et la robustesse de la stabilité
vis-à-vis des variations paramétriques
Mots clés : moteur synchrone à aimants permanent s double étoile , commande vectorielle,
regulateur PI, regulateur RST
Summary
This study, presents the modeling and Simulink of permanent magnet synchronous
machine double star. Amethod field oriented control enabled us to maintain perfectly
decoupling between the couple and flow, and to make the PMSMDS similar to DC machine,
however, the PI regulation gives acceptable but not as good results.
This new technique of regulation called ''RST'', made it possible to answer the
objectives of work, in particular, the rejection of disturbances, the follow-up of instruction and
the robustness of stability with respect to the parametric variations
Key words:permanent magnet synchronous machine double star, field oriented control,
regulator PI, regulator RST.
ممخصتقدم ىذه المذكرة نموذج آلة متزامنة ذات مغناطيس الدائم مزدوجة النجم حيث قمنا بنمذجتيا ومحاكاتيا،
كما مكنتنا طريقة التحكم الشعاعي عمى الحفاظ تماما عمى الفصل بين المزدوجة والتدفق، وجعل اآللة تشبو آلة التيار المستمر، كما ان النتائج كانت مقبولة ولكن ليست اإلجابة عمى اليدف المأمول
جعمت ىذا التحكم أقوى وأنجح عمى وجو الخصوص، رفض االضطرابات، متابعة تعميمات، RSTإن تقنية .ومتانة االستقرار
تقنية , PIتقنية , التحكم الشعاعي , آلة متزامنة ذات مغناطيس الدائم مزدوجة النجم :الكممات المفتاحية RST