Etude Thiorique de DTC de MSAP
Etude Thiorique de DTC de MSAP
Etude Thiorique de DTC de MSAP
THÈME
Promotion 2013/2014
REMERCIEMENTS
Tout d'abord nous remercions le bon Dieu tout puissant de la bonne santé, de la volonté et
de la patience qu'il nous accorde tout au long de nos études. Nous exprimons notre plus vif
remerciement à notre encadreur HAMADOUCHE Sonia qui a orienté et assidûment dirigé
notre travail. Nous présentons aussi nos sincères remerciements à tous les enseignants de
département de génie électrique
Nous remercions les membres du jury qui ont bien voulu accepter d’examiner ce travail.
Sommaire
Introduction Générale
INTRODUCTION GENERALE
La plupart des processus industriels font largement appel à des moteurs pour assurer
l'entraînement. En fonction des applications, ces moteurs sont de divers types et les performances
exigées sont largement variables. Par conséquent, ces moteurs doivent répondre de manière
efficace à des variations de consignes (vitesse, position, couple) et cela, dans une large gamme
de variations du point de fonctionnement. De ce fait, on doit avoir un accès directe et immédiat
au couple, afin de le contrôler de manière rapide et appropriée pour mieux adapter le moteur aux
exigences imposées.
Le moteur à courant continu répond très bien à ces exigences. Cela s’explique par le
découplage naturel entre le flux et le couple. Néanmoins, la présence du collecteur limite la
puissance et/ou la vitesse et exige une maintenance régulière. C’est pourquoi, de nos jours, on se
tourne de plus en plus vers les moteurs synchrones à aimants permanents et les moteurs à
induction.
1
Introduction générale
Dans Le premier chapitre, nous présentons étude théorique de la commande directe du couple.
2
Chapitre 1:
Etude théorique de la
Commande directe de
couple
Chapitre 1 Etude théorique de la Commande directe de couple
1.1. Introduction
Pour contourner les problèmes de sensibilité aux variations paramétriques, les méthodes
de contrôle ont été développées dans lesquelles le flux statorique et le couple électromagnétique
sont estimés à partir des seules grandeurs électriques accessibles au stator, et ceci sans le recours
à des capteurs mécaniques.
Les méthodes de contrôle direct du couple des machines à courant alternatif sont apparues
dans la deuxième moitié des années 1980 comme concurrentielles des méthodes classiques,
basées sur une alimentation de largeur d’impulsion (MLI) et sur découplage du flux et du couple
moteur par orientation du champ magnétique. Par opposition aux lois de commande en durée
entre (MLI).
4
Chapitre 1 Etude théorique de la Commande directe de couple
La commande directe du couple des machines est basée sur la détermination « directe »
de la séquence de commande appliquée aux interrupteurs d’un onduleur de tension (figure 1.1).
Ce choix est généralement basé sur l’utilisation de régulateurs à hystérésis dont la fonction est de
contrôler l’état du système, à savoir ici l’amplitude flux stator et du couple électromagnétique
[1][2][3][4].
MSAP
Uc Sa Sb Sc
2 Uab
Van
(a)
n0
(b)
n
_ _ _
(c)
Uc Sa Sb Sc
2
5
Chapitre 1 Etude théorique de la Commande directe de couple
V3 (010) V2 (110)
2
Uc
V4 (001) 3 V 1 (100)
a
V0 (000), V 7 (111)
V5 (001) V6 (101)
dfs t
Vs = Rs J s + Þ fs = fs 0 + ò (Vs - Rs I s )dt (1.1)
dt 0
6
Chapitre 1 Etude théorique de la Commande directe de couple
La vitesse de rotation de fs , dépend fortement du choix de Vs , elle est maximale pour un
vecteur V s perpendiculaire à la direction de fs , elle est nulle si on applique un vecteur nul. Elle
peut aussi être négative [5][2].
Dans le cas d’une machine synchrone à aimants permanents, le flux statorique changera
même quand des vecteurs tensions nulles ne sont appliquées depuis que l’aimant tourne avec le
rotor. Par conséquent les vecteurs tensions nulles ne sont pas utilisées pour contrôler le flux
statorique. En d’autres termes fs devrait être toujours en mouvement par rapport au flux
rotorique [6][1].
Il est bien connu que le couple électromagnétique est proportionnel au produit vectoriel
entre les vecteurs flux statorique et rotorique.
Pour une machine synchrone à aimants permanents, l’expression du couple électromagnétique
peut être exprimée comme suit :
Tel que:
K = P qs
L
q : Angle entre les vecteurs flux statorique et rotorique.
Cette expression nous montre que, le couple dépend de l’amplitude des deux vecteurs fs
et f f et de leur position relative; si l’on parvient à contrôler le flux fs (à partir de Vs ) en module
et en position, on peut donc contrôler l’amplitude et la position relative de fs , donc le couple [7].
Le choix du vecteur Vs ne porte pas uniquement sur l’erreur du module mais aussi sur le
sens de rotation de fs et le secteur dans lequel se trouve le vecteur flux. A cet effet, le plan
complexe (α, B) fixe du stator est subdivisé en six secteurs sk avec k=1,…,6 tel que :
p p
(2 K - 3) £ S k £ (2 K - 1) (1.4)
6 6
7
Chapitre 1 Etude théorique de la Commande directe de couple
Vk+2 Vk+1 +
fs
Vk+3 Vk
qsr fr
Secteur k
Vk-2 Vk-1
On constate que :
- L’application des vecteur d’espace Vk, Vk+1,Vk-1 font augmenter le module du flux statorique
dans le secteur k alors que les vecteurs Vk+2, Vk+3, Vk-2 le font diminuer.
- D’autre part, les vecteurs qui tendent à augmenter l’angle q sr font augmenter le couple
électromagnétique. Alors l’application des vecteurs Vk+1 ou Vk-2 aura pour effet d’augmenter ce
dernier. Et les vecteurs Vk-1 et Vk-2 auront pour action de le diminuer.
* La table (1.1) résume le choix des vecteurs d’espace de l’onduleur en fonction de l’évolution
voulue sur les grandeurs contrôlées, le flux statorique et le couple [8][2].
Ce fs Ce fs ¯ Ce ¯ fs Ce ¯ fs ¯
Vk +1 Vk + 2 Vk -1 Vk - 2
8
Chapitre 1 Etude théorique de la Commande directe de couple
1.3.2. Estimateurs
L’amplitude du flux statorique est estimée à partir de ces composantes suivant les axes α etb.
A partir de l’équation suivante :
d
V = Rs I s + f s (1.5)
dt
ì t
ï sa ò (Vsa - Rs I sa )dt
f =
ï 0
On obtient : í t
(1.6)
ïf = (V - R I )dt
ï sb ò sb s sb
î 0
Les tensions Vsα et Vsb sont obtenues à partir des commandes (sa, sb, sc), de la mesure de
la tension Uc et de l’application de la transformation de Concordia.
9
Chapitre 1 Etude théorique de la Commande directe de couple
Le module du flux statorique s’écrit :
fs = f s2a + f sB2 (1.9)
Le secteur Sk dans lequel se situe le vecteur fs est déterminé à partir des composantes f sa
et f sb . L'angle q s entre le référentiel (S) et le vecteur fs est égal à :
f sb
q s = arctg (1.10)
f sa
1.3.2.2. Estimation du couple électromagnétique [8]
NB : Cette expression est valable pour tous les types de machines synchrones [3].
Son but est de maintenir l’extrémité du vecteur fs dans une couronne circulaire comme
le montre la figure (1.3).
La sortie du correcteur, représente par une variable booléenne (Cf1x) indique directement
si l’amplitude du flux doit être augmentée (Cf1x =1) ou diminuée (Cf1x=0) de façon a maintenir:
ë(fs ) ref - f û £ Dfs (1.12)
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Chapitre 1 Etude théorique de la Commande directe de couple
_ Dfs
_
V4 (fs)réf
_ V5 _ Sens de rotation de fs
_ V4 -Dfs
V5 V3 _
_ V4 _
V3 Cflx
_V6 3 2 1
V5 4 1
_
V2 0
_ _ (fs)réf-fs
V6 _
5 6 V3 -Dfs Dfs
_
V1 _ _
_ V1 V2
V6
_ V
2
V1
On définit l’erreur sur le couple, notée ece, comme la différence entre le couple de
référence et sa valeur estimée:
e ce = ce* - ce^ (1.13)
11
Chapitre 1 Etude théorique de la Commande directe de couple
SCe
-DCe
0 DCe eCe
-1
S1 S2 S3 S4 S5 S6
SCe=1 V2 V3 V4 V5 V6 V1
Sfs=1 SCe=0 V1 V2 V3 V3 V5 V6
SCe=-1 V6 V1 V2 V1 V4 V5
SCe=1 V3 V4 V5 V6 V1 V2
Sfs=0 SCe=0 V4 V5 V6 V1 V2 V3
SCe=-1 V5 V6 V1 V2 V3 V4
Table 1.2. Table de vérité ou “switching table (ST)”
12
Chapitre 1 Etude théorique de la Commande directe de couple
Avec:
Sce : la sortie du comparateur a hystérésis de l’erreur sur le couple.
Sfs : la sortie du comparateur a hystérésis de l’erreur sur le flux.
1.6. Conclusion
13
Chapitre 1 Etude théorique de la Commande directe de couple
Le contrôle du couple des machines à courant alternatif basé sur la structure DTC permet
d’obtenir de hautes performances dynamiques. Cette méthode apporte une solution concrète aux
problèmes de robustesse et de dynamique rencontrés dans les autres structures de contrôle
(Commande vectorielle).
Dans ce chapitre, nous avons exposé l’étude théorique de la commande directe du couple.
La commande directe du couple des machines est basée sur la détermination « directe » de
la séquence de commande appliquée aux interrupteurs de l’onduleur de tension. Ce choix est
généralement basé sur l’utilisation de régulateurs à hystérésis dont la fonction est de contrôler
l’état du système, à savoir ici l’amplitude flux stator et du couple électromagnétique.
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Chapitre 2:
Application de la DTC a la
machine synchrone
Chapitre 2 Application de la DTC a la machine synchrone
2.1. Introduction
L’élaboration du modèle mathématique des machines est une étape nécessaire en vue de
la commande et de la simulation de leurs différents régimes de fonctionnement.
Cette large utilisation est devenue possible avec les hautes performances des aimants
permanents, ce qui a permis à la machine synchrone d’avoir une densité de puissance, un rapport
couple-inertie et une efficacité élevée en la comparant avec la machine à induction ou la machine
à courant continu.
§ Parfaite symétrie.
§ Les f.m.m ont une répartition sinusoïdale dans l’entrefer de la machine.
§ La saturation est négligée, il en résulte que les inductances propres et mutuelles sont
indépendantes des courants qui circulent dans les différents enroulements.
§ Les encoches sont supposées inexistantes.
§ On ne tient pas compte de l’hystérésis et des courants de Foucault.
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Chapitre 2 Application de la DTC a la machine synchrone
2.2.1. Modèle de la machine exprimé dans le repère (d, q)
· Equations électriques
Sachant que le système est équilibré, On aura pour la MSAP (figure 2.1) [13].
dfsd
Vsd = Rs isd + - wf sq
dt
(2.1)
df
Vsq = Rs isq + sq + wf sd
dt
· Equations magnétiques
fd = Ld id + f f
(2.2)
fq = Lqiq
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Chapitre 2 Application de la DTC a la machine synchrone
En introduisant (2.2) dans (2.1), on obtient le modèle électrique de la MSAP sous la forme
suivante:
dI sd
Vsd = Rs I sd + Lsd - wLsq I sq
dt
(2.4)
dI sq
Vsq = Rs I sq + Lsq + w ( Lsd I sd + f f )
dt
· Equations mécaniques
Considérons :
- Les tensions Vd, Vq et le flux d’excitation f f comme grandeurs de commande.
- Les courants Id, Iq comme variables d’état.
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Chapitre 2 Application de la DTC a la machine synchrone
On pose :
[x] = I sd[ I sq ]
T
Et [V ] = [Vsd Vsq ]
T
dx
= Ax + Bu .
dt
Avec :
é Rs Lq ù é1 ù
ê - w ú ê 0 0 ú
[A] = ê LLq Ld ú
- Rs ú
Et [B] = ê Ld 1 -wú
ú (2.7)
ê ê0
ê- w L
d
ë q Lq úû êë Lq Lq úû
dW r
J = ce - cr - FW .
dt
ce =
3
2
[
P ( Ld - Lq ) I sd I sq + f f I sq ]
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Chapitre 2 Application de la DTC a la machine synchrone
La figure (2.2) représente les éléments essentiels d’un système du contrôle direct de couple d’une
machine [7]:
Tension
Continue
DTC
3 4 Sa
Onduleur
4 1 Sb MSAP
de
Sc Tension
5 6
N
Estimateur Va,Vb
fs
De flux et Transformation
Du couple De Concordia
Ia,Ib
Ce
Ceref, fsref
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Chapitre 2 Application de la DTC a la machine synchrone
Les résultats de simulation figure (2.3) montrent que lors de l'échelon de charge, le couple suit
parfaitement la référence avec une influence sur la vitesse qui rejoint par la suite sa valeur de
référence.
21
Chapitre 2 Application de la DTC a la machine synchrone
22
Chapitre 2 Application de la DTC a la machine synchrone
2.4. Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons pu montrer que la DTC est une méthode souple de contrôle
de couple, robuste, performante et précise.
23
Conclusion
générale
Conclusion générale
CONCLUSION GENERALE
En premier lieu, nous avons présenté une étude théorique minutieuse de la structure de
commande directe du couple (DTC), considérée comme une solution pour le contrôle par flux
orienté et qui est peut sensible aux variations des paramètres de la machine. Cette structure est
une alternative au contrôle indirect des courants.
25
Références
[1] P. MARINO, M. D'INCECCO, N. VISCIANO; "A comparaison of direct torque control
methodologies for induction motor", Power Tech Proceedings, 2001 IEEE Porto, Volume2, 10-
13 Sept. 2001, vol.2.
[6] J.K. KANG, et al ; "Direct torque control of induction machine with variable amplitude
control of flux and torque hysteresis bands", conf. rec. IEEE-IAS, pp. 640-642, 1999.