اﻟﺟﻣﮭورﯾﺔ اﻟﺟزاﺋرﯾﺔ اﻟدﯾﻣﻘراطﯾﺔ اﻟﺷﻌﺑﯾﺔ République Algérienne Démocratique et Populaire وزارة اﻟﺗﻌﻠﯾم اﻟﻌﺎﻟﻲ و اﻟﺑﺣث اﻟﻌﻠﻣﻲ Ministère de l’enseignement Supérieur et de la Recherche scientifique Université Contantine 1 Faculté des Sciences et de la Technologie Département d’Electrotechnique Laboratoire LEC de Constantine Mémoire de Fin d'Etudes En vue de l’obtention du diplôme: MASTER Commande vectorielle d’une génératrice asynchrone alimentant une charge isolée (Implémentation sans carte Dspace 1104) Présenté par : Encadré par : Touil Boubaker Dr. Lamri Louze Soutenu le : 24 Juin 2014 Année universitaire : 2013 / 2014 Remerciements J’adresse tout d’abord ALLAH tout puissant de m’avoir donné la force pour suivre ainsi l’audace pour dépasser tous les difficultés. mes remerciements les plus sincères, au Dr. Amri Louz, le promoteur de ce projet. La sollicitude du Prof. Khazar Abdelmalek, Chef du laboratoire l’occasion de lui exprimer ma très sincère reconnaissance. Mes remerciements s’adressent également à Dr Nemmour Ahmed,. Qui ma aidé dans ce projetavec sa grande connaissance dans le domaine, ainsi que son expérience, a joué un rôle important dans la conception de ce travail J’associe volontiers, Que mon frère Hamza , mes amis Brahim et Badis qui m’ontforcément aidé d’achever ce travail. Dédicace Je dédie ce modeste travail : En premier lieu à ma mère et à mon père Qui ont consenti beaucoup de sacrifices pour me permettre deréaliser mes objectifs et Qu’ils trouvent ici toute ma Reconnaissance et ma gratitude. A mes frèresHamza, Imad, Chouaib,Said et mes sueurs Meriem et Kaltoumi A tous mes camarades et mes amis A tous mes enseignants depuis le primaire jusqu’à maintenant. Introduction générale : L'intense industrialisation des dernières décennies et la multiplication des appareils domestiques électriques ont conduit à des besoins planétaires en énergie électrique considérables [1]. Cette augmentation se traduit, en réalité, par une augmentation des prix dupétrole qui représente la source la plus importante de l’énergie. La réserve mondiale du pétrole diminue de plus en plus, et dans les années qui suivent il n’y aura pas assez du pétrole pour couvrir la demande. Face à ces problèmes, le monde est massivement tourné vers de nouvelles formes d'énergie dites "renouvelables". Dans ce cadre, le présent travail décrit une étude sur l'utilisation des convertisseursélectromécaniques et en particulier la machine asynchrone à cage dans un système éolien pour alimenter un site isolé. Le premier chapitre de ce mémoire est consacré à la modélisation et la simulation de la génératrice asynchrone auto-excitée par un banc de capacités. Dans le deuxième chapitre, la commande vectorielle à flux rotorique orienté sera développée. Nous allons terminer notre étude dans le troisième chapitre par le montage d’un banc d’essai réalisant la commande de la génératrice asynchrone à cage par le biais de la carte dSPACE 1104 I Chapitre 1: Modélisation de la Génératrice asynchrone a cage d’écureuil Chapitre 1: Modélisation de la Génératrice asynchrone a cage d’écureuil 1 Chapitre 1: Modélisation de la Génératrice asynchrone a cage d’écureuil I. Introduction : .................................................................................................................2 II. Avantages de la génératrice asynchrone : .....................................................................3 III. Problèmes posés par la génératrice asynchrone : ..........................................................3 IV. V. I.3 Hypothèse simplificatrices : .................................................................................3 Modèle mathématique de la GAS : ...............................................................................4 V.1. Equations en triphasée : .........................................................................................4 V.2. Equations en diphasé .............................................................................................6 V.3. LE repère dq : ........................................................................................................7 V.4. Référentiel lié au champ tournant :........................................................................7 V.5. Equations électriques : ...........................................................................................8 V.6. Equations mécaniques : .........................................................................................9 VI. Expression en modèle d'état : ..................................................................................10 VII. Influence de la capacité sur la tension d'auto-amorçage : .......................................11 VIII. impacte de la vitesse sur la tension d'auto-amorçage .............................................12 IX. Fonctionnement en charge.......................................................................................13 X. Conclusion...................................................................................................................14 2 Chapitre 1: Modélisation de la Génératrice asynchrone a cage d’écureuil I. Introduction : Il existe deux types de génératrice : la génératrice asynchrone à cage d’écureuil et la génératrice asynchrone à rotor bobiné. Dans ce chapitre nous allons nous intéresser à la génératrice asynchrone à cage d’écureuil, tournant à une vitesseconstante, en parlant d’un certain nombre d’hypothèses simplificatrices pour la modélisation mathématique de la génératrice.et les équationsélectrique. II. Avantages de la génératrice asynchrone : La machine asynchrone a cage est le moteur le plus répandu dans l’industrie : il est robuste, fiable, économique, il est égalementapprécie pour sa très bonne standardisation. III. Problèmes posés par la génératrice asynchrone : Dans la génératrice asynchrone, le courant statorique sert à la fois à générer le flux et le couple, le découplage des axes d et q qui est naturel dans la machine à courant continu n’existe pas. D’autre part, on ne peut pas connaitre les variables internes du rotor a cage (Ir par exemple) qu’à travers le stator. L’inaccessibilité du rotor nous amènera à modifier l’équation vectorielle rotorique pour exprimer les grandeurs rotorique à travers leurs actions sur le stator. La simplicité structurelle cache donc une grande complexité fonctionnelle due auxcaractéristiques qui viennent d’être évoquées mais également aux non-linéarités, à la difficulté d’identification et aux variations des paramètres (Rr en particulier peut varier jusqu'à 50%) IV. I.3 Hypothèse simplificatrices : La modélisation s’appuie sur un certain nombre d’hypothèses : Parfaite symétrie. Assimilation de la cage à un bobinage en court-circuit de même nombre de Phases que le bobinage statorique (c'est-à-dire 3). Répartition sinusoïdale, le long de l’entrefer des champs magnétiques de chaque bobinage, Absence de saturation dans le circuit magnétique. Nous nous intéressons à la commande à flux rotorique orienté. Le système d’axes (d,q) est élaboré à partir des transformations de Park et de Clark. 3 [1] Chapitre 1: Modélisation de la Génératrice asynchrone a cage d’écureuil V. Modèle mathématique de la GAS : V.1. Equations en triphasée : Le stator est constitué de trois enroulements répartis dans l'espace, et séparés d’un angle électrique de 120°, les mêmes propos s'appliquent au rotor qu'il soit à cage D’écureuil ou formé de trois bobines. La figure 1.1 illustre la disposition des enroulements statoriques et rotoriques En tenant compte des hypothèses mentionnées précédemment les équations électriques des tensions statoriques et rotoriques peuvent s'écrire sous forme matricielle en appliquant la loi d'Ohm comme suit: concernat le stator :[ etconcernant le rotor : ]=[ [ ][ ]=[ ]+ [∅ ][ ] ]+ [∅ ] (1.1) (1.2) Les grandeurs, [Vs abc], [Isabs], [∅abc], sont des vecteurs de dimension 3x1définit comme suit: [ ]= ;[ ]= ;[∅ ∅ ]= ∅ ∅ 4 (1.3) Chapitre 1: Modélisation de la Génératrice asynchrone a cage d’écureuil Celles du rotor sont : [ =0 = 0 ;[ =0 ]= ∅ ]= ∅ ∅ ;[∅ ]= (1.4) Les matrices des résistances des enroulements statorique et rotorique sont définies comme suit: [ ]= 1 0 0 1 0 0 0 0 ;[ 1 ]= 1 0 0 0 1 0 0 0 1 (1.5) Les flux totaux de la machine sont en relation avec les courants par l'intermédiaire des équations suivantes: [∅ [∅ ]=[ ]=[ ][ ][ ]+[ ][ ]+[ ][ [ cos( ) Lmsr = cos( + 2 ∗ /3) cos ( − 2 ∗ /3) Où: ] ] (1.6.1) (1.6.2) ]= cos ( − 2 ∗ /3) cos ( + 2 ∗ /3) cos ( ) cos ( − 2 ∗ /3) cos( + 2 ∗ /3) cos ( ) [Lss] : Matrice des inductances propres et mutuelles entre phases statoriques. [Lrr] : Matrice des inductances propres et mutuelles entre phases rotoriques. [Lmsr]: Matrice des inductances mutuelles entre phases statoriques et rotoriques. Lms : Inductance mutuelle entre enroulements statorique. Lmr : Inductance mutuelle entre enroulement rotorique. 5 Chapitre 1: Modélisation de la Génératrice asynchrone a cage d’écureuil M: Maximum de l'inductance mutuelle entre une phase du stator Notons que la matrice des inductances mutuelles rotot une phase de rotoriquesn'est d'autre que latransposée de celle des inductances mutuelles statoriques[ V.2. ]=[ ]transposer Equationsendiphasé Le modèle diphasé de la GAS s'effectue par une transformation du repère triphasé en un repèrediphasé, qui n'est en fait qu'un changement de base sur les grandeurs physiques (tensions, flux, et courants), il conduit à des relations indépendantes de l'angle θ et à la réduction d'ordre des équations de la machine. La transformation la plus connue par les Électrotechniciens est celle de Park (1929). La figure I.2 met en relief l'axe direct d du Référentiel de Park, et l'axe en quadrature d'indice q. Pour simplifier les équations, les repères de Park des grandeurs statoriques et rotoriques doivent coïncider, ceci est possible grâce à la relation suivante: La = + matrice 1/2 cos( ) ]=2/3 suit:[ −sin( ) (1.9) de transformation 1/2 cos ( − 2 ∗ −sin( − 2 ∗ /3) /3) de Park [P] est 1/2 cos ( + 2 ∗ /3) −sin ( + 2 ∗ /3) définie comme (1.10) On a choisi (2/3), pour les valeurs inchangées des amplitudes des tensions, courants, et flux.( )Est l'angle entre l'axe d et l'axe de référence dans le système triphasé. La transformation directe est alors : 1/2 =2/3 cos( ) −sin( ) 1/2 cos ( − 2 ∗ −sin( − 2 ∗ /3) /3) 1/2 cos ( + 2 ∗ /3) −sin ( + 2 ∗ /3) (1.11) Où, X représente les variables considérées de la machine qui sont tensions, courants ou flux. La variable X0 représente la composante homopolaire, ajoutée pour rendre la transformation réversible, elle est nulle lorsque le neutre n'est pas branché. 6 Chapitre 1: Modélisation de la Génératrice asynchrone a cage d’écureuil La transformée de Park inverse est nécessaire afin de revenir aux grandeurs triphasées, elle est définie par: 1 = 1 1 V.3. cos( ) cos ( − 2 ∗ cos ( + 2 ∗ /3) /3) −sin( ) −sin( − 2 ∗ /3) −sin( + 2 ∗ /3) (1.12) LE repère dq : Ce qui rend la transformation de Park attrayante, est que l'orientation du repère dq peut être quelconque. Il existe trois choix importants, le repère dq peut être fixé au stator, au rotor ou au champ tournant, Selon l’objectif de l’application [3] [4]: Repère d’axes dq fixe lié au stator ou repère stationnaire (θs=0). Les grandeurs électriques évoluent en régime permanent électrique à la pulsation statoriqueωs. Cette méthode sera retenue très souvent dans l’étude des observateurs. Repère d’axes dq lié au rotor (θsl = 0). Les grandeurs évoluent en régime permanent électrique à la pulsation des courants rotoriquesωsl. Elles sont de faible fréquence (fréquence de glissement). Repère d’axes dq lié à l’un des flux de la machine. Le modèle est simplifié par L’utilisation d’équations plus simples. En régime permanent électrique les grandeurs du Modèle sont continuées. Cette méthode est souvent utilisée dans l’étude de la commande. V.4. Référentiel lié au champ tournant : Personnifié par le vecteur flux statorique, le champ tournant est le champ crée par le bobinage statorique et qui tourne en régime permanent à la vitesse de synchronisme. Si on choisit de fixer le repère dq lié au champ tournant alors on a: =ws =>wr=ws+w=ws+pΩ(1.7) Où : ωs : est la pulsation statorique ω : est la pulsation rotorique ωr: est la pulsation du glissement 7 Chapitre 1: Modélisation de la Génératrice asynchrone a cage d’écureuil Ω: la vitesse mécanique, elle est reliée à la pulsation rotorique par : Ω =p ω V.5. Equations électriques : Les équations électriques de la MAS dans un repère de Park lié au champ tournant sont: Pour le stator: − − = = concernat le rotor : + + ∅ − ∅ + =0= ∅ ∅ + ∅ =0= + ∅ Ceux des flux totaux ayant pour valeur: Au stator Au rotor Où: ∅ ∅ = = + + (1.14) −( +( − Ωr)∅ − Ωr)∅ (1.8) (1.9) ∅ ∅ = = + + Ls=Ls-Ms : Inductance cyclique statorique. Lr=Lr-Mr : Inductance cyclique rotorique. (1.10) M=3/2Msr:Inductance mutuelle cyclique entre stator et rotor. Vsd et vsq (respectivement vrd et vrq) sont les tensions statoriques (respectivement rotoriques) d’axes d et q isd et isq (respectivement ird et irq) sont les courants statoriques (respectivement rotoriques) d’axes d et q (Respectivement rd et rq) sont les flux statoriques (respectivement rotoriques) d’axes d et q ; w1 est la vitesse angulaire des axes d et q dans le repère statorique et w1-p Ω r la vitesse des axes d et q dans le repère rotorique 8 Chapitre 1: Modélisation de la Génératrice asynchrone a cage d’écureuil Ωr est la vitesse (mécanique) de rotation de la machine asynchrone Rs (respectivement Rr) est la résistance statorique (respectivement rotorique) Ls (respectivement Lr) est l’inductance statorique (respectivement rotoriquelr) valant laquantité de l’inductance de fuite statoriquels (respectivement rotoriquelr) et de l’inductance de magnétisation M. V.6. Equations mécaniques : Le modèle électrique électromagnétique et de la doit être complété par les expressions du vitesse, décrivant ainsi le mode mécanique. couple Le couple électromagnétique Tupeux se mettre sous plusieurs formes: = 3/2 ( = 3/2 ( = 3/2 ( − − − ) )(1.11) ) p: le nombre de pair de pole ou : = ( − kt=3/2pm/Lr ) (*) Notons que c'est la relation (*) qui sera retenue, car elle dépend des variables d'état adoptées. La vitesse de rotation mécanique se déduit de la loi fondamentale de la mécanique générale (la somme des couples exercés sur l'arbre est équivalente au couple inertiel), elle s'écrit donc : Ω = − (1.12) Ou : P est le nombre de pair(s) de pôles ; J est le coefficient d’inertie des masses tournantes ; Tr est la quantité des couples résistants. 9 Chapitre 1: Modélisation de la Génératrice asynchrone a cage d’écureuil Expression en modèle d'état : VI. Maintenant on va récrire les équations de la machine en modèle d'état en vue de sa commande, en rotoriques prenant les courants statoriquesisd, isq et les flux comme variables d'états. D’abord remplaçons les courants rotoriques et les flux statoriques à partir de (1.10) (1.11) Pour les courants rotoriques, nous avons : = = ∗ ∗ − (1.13) − Et concernant les flux statoriques: =( − = − )∗ − ∗ + En rapportant ces dernières relations dans (1-12) et (1-12), on arrivera aux systèmes d’équations d'états suivant: ⎧ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎩ =− = −1/ − 1/ + + + = = (1.14) Ou: = 1 − forme : / ∗ ∗ − 1/ − − + 1/ ∗ ∗ ( + ) + 1/ + 1/ ( ) ( ) + 1/ − est le Coefficient de dispersion. En identifiant le système (I-23) à la =Ax+bu (1.15) On aura: Le vecteur d'états x=[ ]t , A la matrice dynamique du système, le 10 Chapitre 1: Modélisation de la Génératrice asynchrone a cage d’écureuil vecteur de commande U=[ ]t,etB la matrice d'application de la commande, donc: X= ⎡−1/ ⎢ ⎢ =⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ; u= − + 1/ ; B= 0 0 0 / 0 −1/ 0 / 0 1/ 0 0 (1.16) 1/ + −1/ 1/ −1/ −( − ) 1 1/ − −1/ 1/ ⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ Où : Tr = Lr/Rr est la constate de temps rotorique VII. Influence de la capacité sur la tension d'auto-amorçage : Pour mieux voir l'impact de la capacité sur la tension pour une vitesse donnée (ici 1500 tr/mn), nous représentons uniquement l'enveloppe de la tension d'auto-amorçage. Sur cette figure on note que l'augmentation de la valeur de la capacité influe le transitoire de la tension et aussi sa valeur finale dans des rapports différents à la suite de la non linéarité de la courbe d'aimantation, comme il existe une valeur de C au-delà de laquelle la tension n'augmente plus à cause de la saturation du circuit magnétique [2]. 11 Chapitre 1: Modélisation de la Génératrice asynchrone a cage d’écureuil Fig. 1. 2. l'influence de la capacité sur la tension d'auto-amorçage. VIII. impacte de la vitesse sur la tension d'auto-amorçage La vitesse de rotation a un impact direct sur la tension pour un même courant magnétisant. Lorsque la vitesse de rotation augmente la tension augmente également et elle n'est pas limitée par la forte saturation comme dans le cas du condensateur. Sur la Figure II. 18. on peut voir que si 1 2 il en est de même pour la tension c'est-à-dire E1 E E 2 [2]. Fig. II. 18. l'influence de la vitesse sur la tension d'auto-amorçage. 12 Chapitre 1: Modélisation de la Génératrice asynchrone a cage d’écureuil IX. Fonctionnement en charge A l'instant t 1.2 s on branche brusquement une charge résistive aux bornes de la génératrice auto-excitée. La tension diminue à l'instant d'introduction de la charge (Fig. 1. 3. a) tandis que le courant de la ligne (Fig. 1. 3. b) augmente pour fournir le courant de charge (Fig. 1. 4. b), par contre le courant magnétisant diminue de la même manière que la tension (Fig. 1. 4. a). Fig. 1. 3. (a): la tension d'auto-amorçage, (b): le courant de ligne statorique. Fig. .1 4. (a): le courant de magnétisation, (b): le courant de la charge. Le couple électromagnétique transporte d’un état stable à vide à un état stable défini par la charge (Fig. 1. 6). 13 Chapitre 1: Modélisation de la Génératrice asynchrone a cage d’écureuil Fig. 1. 6. le couple électromagnétique. X. Conclusion Dans ce chapitre , nous sommes intéresserais à la détermination des capacités d’auto- amorçage d’une génératrice asynchrone a cage en fonctionnement linéaire que nous avons corrigées par la suite en tenant compte de la saturation magnétique qui permet de limiter les amplitudes des tensions et courant en régime établi. Lemodèle mathématique d’une machinealimentation nous facilite largement son étude et permet sa commande dans les différents régimes de fonctionnement transitoire et permanent. Donc ce chapitre la plateforme de chapitre prochaine. 14 Chapitre 2: Commande de la génératrice asynchrone à cage Chapitre 2: Commande de la génératrice asynchrone à cage. 15 Chapitre 2: Commande de la génératrice asynchrone à cage Chapitre 2: Commande de la génératrice asynchrone à cage I. Introduction............................................................................................................ 17 II. Modèle en dq de la génératrice asynchrone ........................................................... 17 III. Objectif et principe de la commande vectorielle a flux orienté : ........................... 20 IV. V. Expression du couple électromagnétique :......................................................... 21 Structure de contrôle vectoriel : ............................................................................. 22 VII. Calcul de∅ ∶...................................................................................................... 22 VIII. Découplage par compensation : ......................................................................... 24 IX. Conclusion.......................................................................................................... 25 VI. Calcul de Ws et : ........................................................................................... 23 16 Chapitre 2: Commande de la génératrice asynchrone à cage I. Introduction Dans ce chapitre, nous présentons un type de commande vectorielle d’une génératrice asynchrone à cage d’écureuil avec la commande vectorielle FOC en régime permanant. La commande par orientation de flux (FOC), proposée par Blaschke en 1972, est une technique de commande classique pour l'entraînement des machines asynchrones. L'idée fondamentale de cette méthode de commande est de ramener le comportement de la machine asynchrone à celui d'une machine à courant continu . Cette méthode se base sur la transformation des variables électriques de la machine vers un référentiel qui tourne avec le vecteur du flux. Par conséquent, ceci permet de contrôler le flux de la machine avec la composante isd du courant statorique qui est l'équivalent du courant inducteur de la machine à courant continu. Tandis que, la composante isq permet de contrôler le couple électromagnétique (la tension du bus continu) correspondant au courant induit de la machine à courant continu. Dans ce paragraphe on va décrire la commande vectorielle de la génératrice asynchrone qui se décompose en deux parties : Le contrôle du flux . Le contrôle de la tension du bus continu . Le découplage ou compensation sera traitée dans le chapitre suivant. II. Modèle en dq de la génératrice asynchrone Avant de penser à la commande d'un système physique donné, il faut tout d'abord avoir un modèle assez fidèle de son comportement réel. Pour le cas de la génératrice asynchrone, le modèle de PARK apporte une solution satisfaisante. Cette transformation permet d'obtenir une représentation biphasée équivalente de la machine. Le système de coordonnées a , b , c est transformé en un système de coordonnées orthogonales d , q , o (Fig. II. 1). Cette transformation est réalisée grâce à la matrice de transformation P : P 2 4 cos cos cos 3 3 2 2 4 sin sin sin (2.1) 3 3 3 1 1 1 2 2 2 17 Chapitre 2: Commande de la génératrice asynchrone à cage Grâce à l'orthogonalité de la matrice P , son inverse est donnée par P 1 P T . L'angle est remplacé par s pour les grandeurs statoriques et par r pour les grandeurs rotoriques. q RB SB d RA r s O SC SA RC Fig. 2. 1. Repérage angulaire des systèmes d'axes dans l'espace électrique. Dans le repère d , q , o , le modèle mathématique de la machine asynchrone s'écrit : Vsd Rs isd d sd d s sq dt dt Vsq Rs i sq d sq dt d s sd dt (2.2) (2.3) Vso Rs i so d so dt (2.4) Vrd Rr ird d rd d r rq dt dt (2.5) Vrq Rr irq Vro Rr i ro d rq dt d r rd dt d ro dt (2.6) (2.7) 18 Chapitre 2: Commande de la génératrice asynchrone à cage Les relations entre les flux et les courants sont : sd Ls i sd M ird sq Ls isq M irq so Lso i so rd Lr ird M i sd rq Lr irq M isq ro Lro iro Les relations (2.2)-(2.7) traduisent le comportement de deux circuits représentés par le schéma équivalent de la Figure 2. 2.∅ i sd R s s sq s r + Vsd + i rd s r - V sq r rd R r + i mq + rd M R s s sd i sq - i md sd r rq R r sq M - rq Fig. II. 2. Schéma équivalent du modèle de la machine asynchrone en dq. Le couple électromagnétique développé par la machine est proportionnel au produit vectoriel du flux et du courant i et s'exprime par la relation suivante : = ∗ (∅ −∅ 19 ∅) (2.8) i rq Chapitre 2: Commande de la génératrice asynchrone à cage D'autres formulations du couple sont possibles, cependant, elles restent toujours des expressions non linéaires. La façon d'exprimer le couple dépend de la stratégie de commande adoptée. Objectif et principe de la commande vectorielle a flux orienté : III. L’objectif de la commande vectorielle est de rendre la machine asynchrone Capable de répondre efficacement à des variations de consignes (position du rotor, couple, vitesse) dans une large gamme de points de fonctionnement et ce pour des applications nécessitant des performances dynamiques élevées. Ce type de commande repose sur le contrôle instantané du couple et son principe consiste à rendre le fonctionnement de la machine asynchrone analogue à celui de la machine à courant continu à excitation indépendante où il existe un découplage naturel entre les contrôles du flux et du couple. En effet, dans une telle machine, le courant d’excitation permet de régler le flux inducteur dans l’axe polaire, tandis que le courant d’armature est utilisé pour contrôler le couple dans l’axe neutre (perpendiculaire à l’axe polaire). Un choix adéquat du repère (dq) de Park, choisi de façon à ce que l’axe d soit aligné avec la direction du vecteur flux rotorique, permet de réaliser un tel découplage. Nous parlons alors d’un contrôle vectoriel à flux rotorique orienté. C'est-à-dire, de ce type de contrôle est d’aboutir à un modèle simple de la machine asynchrone qui rendre compte de la commande séparée de la grandeur courant I générateur de couple. Il s’agira donc de retrouver la quadrature entre le courant et le flux, naturellement découplés pour une machine à courant continu (courant d’excitation-producteur de flux, et courant d’induit-producteur de couple). La difficulté va résider justement dans le fait que, pour une machine à induction, il est difficile de distinguer le courant producteur de couple du courant producteur de flux, fortement couplés. 20 Chapitre 2: Commande de la génératrice asynchrone à cage La méthode du flux orienté consiste à choisir un système d’axe (d,q) repèretournant biphasé orienté sur∅ (flux rotorique)ou∅ (flux statorique) est un type de commande qui permettent de découpler le couple et le flux . ∅ = ∅ = + + (2.10) = 1/ (∅ − ∅ = ⎧− ⎪ ⎪− ⎨ ⎪ ⎪ ⎩ ⎧− ⎪ ⎪− ⎨ ⎪ ⎪ ⎩ ∅ = = = + 0= + 0= = = + ∅− + + ∗∅ − ∗∅ + ∅ ∅ − + 0= + ∅ 0= − ∅ (2.11) ∗ − (2.12) ∅ − − + ∅ + ∅ + + + ) (2.13) − + − ∅ − ∗ ∗ − + + ∅ ∅ ∅ ∗ ∅ (2.14) ∅ − − ∗ −( − −( ∗∅ ∗∅ − )∅ − − ∗∅ ∗∅ (2.15) − )∅ Où le coefficient σ (défini par σ =1 -M²/ LrLs ) est le coefficient de dispersion de Blondel. Ce dernier donne une estimation globale des inductances de fuites dans la machine. IV. Expression du couple électromagnétique : Une expression du couple électromagnétique à partir des différentes grandeurs exprimées dans le repère (dq) peut être donnée par : = ∗ (∅ −∅ ) (2.16) Si nous choisissons le référentiel tournant (T) tel que ∅ soit calé sur l’axe (d), nous avons ∅ = 0 et ∅ = . Par la suite, nous utiliserons la notation suivante : ∅ =∅ (2.17) 21 Chapitre 2: Commande de la génératrice asynchrone à cage Le couple électromagnétique est alors égale à : = V. ∗ (∅ ) (2.18) Structure de contrôle vectoriel : La figure (2.3) présente une structure de contrôle vectoriel à flux rotorique orienté. Ce schéma correspond à une commande vectorielle de type direct dans laquelle le flux rotorique est asservi à une valeur de consigne. Celle-ci se compose de quatre régulateurs de type PI répartis en deux boucles de contrôle rendues indépendantes l’une de l’autre par découplage. La première boucle agit sur le flux et se compose du régulateur de flux ainsi que d’une boucle interne de courant dont le correcteur PI agit sur le courant statorique d’axe d (isd). La seconde boucle agit quant à elle sur le couple et se compose du régulateur de vitesse et d’une boucle interne de courant dont le correcteur PI agit sur le courant statorique d’axe q (isq). Celle-ci se compose de quatre régulateurs de type PI répartis en deux boucles de contrôle rendues indépendantes l’une de l’autre par découplage. La première boucle agit sur le flux et se compose du régulateur de flux ainsi que d’une boucle interne de courant dont le correcteur PI agit sur le courant statorique d’axe d (isd). La seconde boucle agit quant à elle sur le couple et se compose du régulateur de vitesse et d’une boucle interne de courant dont le correcteur PI agit sur le courant statorique d’axe q (isq).[2] i R R c i i dc GAS V C dc w V dc Algorithme de commande Fig. II. 4. Système commandé. VI. Calcul de∅ ∶ Les grandeurs d’état ou de sorties utilisées pour l’élaboration de la commande sont souvent difficilement accessibles pour des raisons techniques (c’est le cas du flux) ou pour des problèmes de cout. Le flux ne peut être reconstitué par : 22 Chapitre 2: Commande de la génératrice asynchrone à cage Des estimateurs utilisent en boucle ouverte, Des observateurs corrigeant en boucle fermée les variables estimées. Les estimateurs reposent sur l’utilisation d’une représentation de la machine sous forme d’équation de Park définie en régime permanent (estimateur statique) ou Transitoire (estimateur dynamique). Il sont obtenus par une résolution directe des équations associées à ce modèle. L’intérêt d’une telle approche conduit à la mise en œuvre d’algorithme simple et doncrapides, toutefois ils sont peu robustes aux variations paramétriques (résistancerotorique et statorique, mutuelle, etc..). Le système d’équations (2.1) permet d’estimer le flux∅ : ∅ VII. Calcul de Ws et = + : ∗ La pulsation statorique s’écrit, d’âpres (2.1) : Ws=P + ∅ L’équation n’est pas exploitable telle quelle puisque ∅ moteur. Nous utilisons, pour l’implantation, l’équation suivante : ∅ = Avec ε=0.01 ∅ Nous avons alors : = 23 + est nulle au démarrage du Chapitre 2: Commande de la génératrice asynchrone à cage VIII. Découplage par compensation : La compensation a pour but de découpler les axes d et q. Ce découplage permet d’écrire les équations de la machine, et de la partie régulation d’une manière simple et ainsi de calculer aisément les coefficients des régulateurs. A partir des équations (2.12) nous pouvons écrire : − − = = + + + − ( ( Soit encore sous la forme de Laplace − − =( =( + ) + ) + − ( ( )+ )+ ) ) ∅ ∅ (2.19) (2.20) Définissons deux nouvelles variables de commande (Vsd_r, Vsq_r) et (Vsd_c, Vsq_c) telles que : = = _ =( _ =( _ = _ + + + + _ =− ( _ _ ( ) ) )+ (2.21) (2.22) ) 24 ∅ (2.23) Chapitre 2: Commande de la génératrice asynchrone à cage IX. Conclusion L'objectif de la commande est de contrôler la tension du bus continu à la sortie du redresseur Vdc. La mise en œuvre de la commande nécessite d'estimer le flux rotorique la mesure du couple électromagnétique et le calcul de la pulsation statorique Le courant i*q est calculé à partir de la valeur du couple électromagnétique de référence. le couple de référence est obtenu à partir de la valeur de la puissance de active référence à injecter dans le bus continu. Cette puissance est délivrée par le régulateur de la tension du bus continu Vdc . Le contrôle de la tension Vdc peut donc s'effectuer par l'intermédiaire du réglage du couple électromagnétique, ce qui revient à la même démarche que celle utilisée dans le cas d'une commande classique en fonctionnement moteur. 25 Chapitre 3: Simulation et plate forme expérimentale Chapitre 3: Simulation et plate forme expérimentale. 26 Chapitre 3: Simulation et plate forme expérimentale I. Plate-forme expérimentale : ................................................................................... 28 II. Partie « PUISSANCE » : ....................................................................................... 28 III. Partie « CONTRÔLE – COMMANDE » : ............................................................ 29 IV. V. Environnement de mesures : .............................................................................. 29 Démarche du projet :.............................................................................................. 30 VI. Dimensionnement des correcteurs PI :............................................................... 30 VII. Essais de simulations :........................................................................................ 31 VII.1. Structure des principaux blocs de simulation : ........................................... 31 VII.2. Estimateur de et et ∅ .......................................................................... 31 Figure (3.2) : ............................................................................................................... 31 VII.3. VIII. le capa................................................................................................................. 32 VIII.1. IX. X. Le découplage: ............................................................................................ 31 Modèle de la génératrice a cage asynchrone GAS:..................................... 32 Bloc de Transfer Xdq a Xabc .................................... Erreur ! Signet non défini. Résultat de simulation :.......................................................................................... 34 Essais expérimentaux...................................................................................................... 35 XI. Résultats d’expérimentation :............................................................................. 36 XI.1. A vide ............................................................................................................. 36 XI.2. Application soudaine de la charge.................................................................. 37 XI.3. Application soudaine de la charge.................................................................. 39 XII. Conclusion :........................................................................................................ 40 XIII. Conclusion générale : ......................................................................................... 41 27 Chapitre 3: Simulation et plate forme expérimentale Figure :(1.3) Schéma de la plate-forme expérimentale I. Plate-forme expérimentale : Le laboratoire d’électrotechnique de l’université de Constantine1 s’est récemment doté d’une plate-forme expérimentale instrumentée Dspace destinée à l’enseignement de la théorie générale des machines électriques, de l’électronique de puissance et de la commande des machines électriques. Chacune d’entre-elles est constituée de trois parties essentielles : La partie « PUISSANCE » ; La partie « CONTRÔLE – COMMANDE » ; Un environnement de mesures. La figure (3.1) présente un schéma synoptique de la plateforme expérimentale utilisée dans le cadre de ce projet. [4] II. Partie puissance: La partie « PUISSANCE » consiste en un onduleur de tension à IGBT et deux machinesune machine asynchrone d’une puissance de 1,5 kW est mise en fonction par moteur asynchrone utilisé comme turbine éoliennede même puissance que le moteur précédent. 28 Chapitre 3: Simulation et plate forme expérimentale III. Partie « CONTRÔLE – COMMANDE » : La partie « CONTRÔLE – COMMANDE » s’articule autour de la carte de contrôle DS1104 R&D Controller Board développée par la société allemande dSPACE et logée dans un ordinateur. Cette carte de contrôle se compose de deux processeurs. Le processeur maître permet de gérer l’application tandis que le processeur esclave, un DSP (« Digital Signal Processor ») de marque TEXAS INSTRUMENT (type TMS320F240), génère les signaux de commandes MLI (Modulation de Largeur d’Impulsion) en logique TTL 0/5 V. Ceci constitue la partie « hardware » de dSPACE.La partie « software » se compose, quant à elle, de deux logiciels. Le premier Matlab/Simulink, permet une programmation aisée de l’application temps réel sous Simulink par utilisation de blocs spécifiques (Appartenant à la « toolbox Real Time Interface (RTI) ») permettant de configurer les entrées/sorties de la carte DS1104. Le second logiciel, Control Desk, permet de charger le code du programme sur lacarte (écrit sous forme graphique dans Simulink, compilé et transformé en code C), décrier un environnement d’expérimentation complet et notamment une interfacegraphique de commande du procédé temps-réel, de traiter les données et de lesenregistrer sous un format compatible avec Matlab (en vue d’un traitement ultérieur) ouencore de suivre en temps-réel l’évolution des données mesurées ou calculées à l’aide d’afficheurs graphiques ou digitaux.[4] IV. Environnement de mesures : L’échange d’informations entre les deux parties décrites s’effectue par l’intermédiaire d’un boîtier externe de raccordement (Connecter Panel CP1104 de la société dSPACE) relié à la carte via un câble blindé et recevant les signaux analogiques par l’intermédiaire de connecteurs BNC, d’une interface de conditionnement des signaux de commande MLI et des éventuels signaux d’erreurs renvoyés par le convertisseur Semi Kron et d’un environnement de mesure constitué de divers capteurs. L’interface de conditionnement des signaux réalise la conversion de ces derniers de la logique TTL 0/5 V en logique CMOS 0/15 V et inversement. Cette modification est indispensable car la carte de contrôle DS1104 travaille avec des signaux en logique TTL 0/5 V tandis que ceux-ci doivent être en logique CMOS 0/15 V pour l’onduleur de tension. L’environnement de mesure est constitué de capteurs LEM type LA25TP (capteursde courant boucle fermée utilisant l’effet Hall) pour les mesures de courants, de capteurs LEM 29 Chapitre 3: Simulation et plate forme expérimentale type LV100-500 (capteurs de tension de type boucle fermée utilisant l’effet Hall) pour les mesures de tensions et d’un codeur incrémental pour mesurer la vitesse de rotation du moteur. Enfin, les courants analogiques mesurés sont destinés à un traitement numérique et doivent donc être échantillonnés. Dès lors, afin d’éviter tout phénomène de repliement spectral, il est nécessaire d’insérer un filtre de garde (de fréquence de coupure estimée à 500 Hz, un ordre de grandeur au-dessus de la fréquence fondamentale de 50 Hz) entre chaque capteur et le convertisseur analogique/numérique. [4] V. Démarche du projet : L’analyse du fonctionnement de la machine asynchrone alimentée via un onduleur de tension n’est pas simple à cause du comportement non linéaire de ces deux éléments[1]. De plus, le contrôle vectoriel d’un moteur asynchrone requiert des connaissances théoriques dans de nombreux domaines tels que les machines électriques, l’électronique de puissance, l’automatique, etc. Grâce à la plate-forme expérimentale instrumentée dSPACE, on peut se focaliser sur la détermination des paramètres et la structure de contrôle vectoriel du moteur asynchrone sans perdre trop de temps sur la programmation de l’application. Nous somme amené à programmer cette structure de contrôle, tout d’abord en simulation sous Simulink, ensuite dans l’environnement temps réel dSPACE. VI. Dimensionnement des correcteurs PI : Nous sommes en mesure de calculer les gains proportionnel (KP) et intégral (KI) du correcteur PI présent dans la structure de contrôle vectoriel. Pour ce faire la technique de placement de pôles est utilisée. Paramétres Valeur Rs 4.83 Ω Rr 1.3225 Ω Ls 0.0264 H Lr 0.04202 H C 1100 F M 0.0639 H Tableau 3.1 : Valeurs de paramètres de la génératrice asynchronea cage 30 Chapitre 3: Simulation et plate forme expérimentale VII. Essais de simulations : VII.1. Structure des principaux blocs de simulation : Apartir de l’étude théorique de la structure de la commande vectorielle à fluxrotorique orienté du chapitre 3, nous pouvons élaborer les différents blocs nécessaires à une simulation du procédé VII.2. Estimateur de et et ∅ La figure (3.2) illustre le bloc de calcul de (ws, θs,φrd),la constante ‘0.01‘additionné permet de rendre le calcul possible quand φrd=0,c'est-à-dire au démarrage du génératrice Figure (3.2) : Bloc d’estimateur VII.3. Le découplage: Compte tenu de la valeur limite de la norme de la tension statorique,la saturation sur Vsd_r et vsq_ref estfixée à 350 V (figure 3.3). 31 Chapitre 3: Simulation et plate forme expérimentale Figure 3.3 : bloc découplage VIII. Le bloc de la capacité : Figure 3.4 bloc de capacité VIII.1. Modèle de la génératrice a cage asynchrone GAS: A partir du modèle du moteur, basée sur des blocs simples et fichier (.m) dans lequel les paramètres de la machine sont écrits. Les entrées de bloc vsa, vsb et vsc ainsiΓr, le couple résistant. Seules les sorties isa, isb, isc et Ω seront utilisées dans notre application. 32 Chapitre 3: Simulation et plate forme expérimentale Figure (3.5) modèle de la génératrice asynchrone GAS 33 Chapitre 3: Simulation et plate forme expérimentale Figure (3.6) : Bloc de commande Résultats de simulation : La tension aux bornes de la capacité dans la figure (3.7) reste constante et elle suit parfaitement la forme de tension de référence. De plus la vitesse de rotation wqu’on a appliqué à la génératrice est représentée dans la figure(3.8). Figure (3.7) : tension du bus continu 34 Chapitre 3: Simulation et plate forme expérimentale Figure (3.8) : profil de la vitesse Figure (3.9) : courants isabc (zoom) Essais expérimentaux : Figure (3.9) : schéma globale del’implantationSimulink/dSPACE 35 Chapitre 3: Simulation et plate forme expérimentale Les schémas de commandes sont réalisés sous SIMULINK contenant les convertisseurs ADC (analogique numérique) et DAC (numérique analogique), en plus dans ces schémas, il y a des gains insérer dans le modèle de control pour l’adaptation des signaux entrant et sortant de la commande, (comme d’ailleurs les capteurs de courant possède un gain de 30). IX. Résultats d’expérimentation : La structure de contrôle vectoriel étant maintenant initialisée, après la réalisation des essais en simulation sous Simulink, nous pouvons maintenant réaliser quelques essais expérimentaux en régulation et en poursuite de la tension du bus continu. Les figures 3.9, figures 3.10, figures 3.12 et figures 3.13 présentent respectivement la programmation de ladite structure sous dSPACE et l’interface graphique associée à l’application réalisée sous Control Desk. IX.1. A vide Dans le cas à vide on observe que la tension de la capacité suive bien la tension de référence, comme il est illustré dans la figure (3.10.a) ; la vitesse imposée est représentée sur la figure (3.10.b) ; le courant varie proportionnellement avec la tension du bus continu figure (3.10.c)-. Figure (3.10.a) tension du bus continu 36 Chapitre 3: Simulation et plate forme expérimentale Figure(3.10.b) profil de la vitesse appliquée. Figure (3.10.c) courant statorique Figure(1.10) a vide IX.2. Application soudaine de la charge Dans cette expérimentation la tension de référence du bus continu est fixée à 120 V; l’insertion d’une charge soudain à l’instant t=15 s introduit un petit pic à la tension mesuré du bus continu figure(3.11.a), la vitesse appliquée est celle de la figure(3.11.b) ; le courant augment avec la charge (figure 3.11.c). 37 Chapitre 3: Simulation et plate forme expérimentale Figure (3.11.a) tension du bus continu Figure (3.11.b) profil de la vitesse appliquée. Figure (3.11.a) courant statorique Figure (3.11) Application soudaine de la charge 38 Chapitre 3: Simulation et plate forme expérimentale IX.3. Variation de la tension de référence du bus continu Dans le troisième essai la tension du bus continu varie entre 140 V et 250 V, on observe sur la figure (3.12.a) que la tension mesuré suit bien sa référence, le profil de la vitesse est représentée sur la figure (3.12.b) ; le courant d’une phase augment à l’instant d’introduction de la charge(figure 3.12.c). Figure (3.12.a) tension du bus continu Figure (3.12.b) profil de la vitesse appliquée. Figure (3.12.c) courant statorique Figure (3.14) :Variation de la consigne de tension en charge 39 Chapitre 3: Simulation et plate forme expérimentale X. Conclusion : Le premier objectif de ce chapitre est la description du montage expérimental et la mise en œuvre de différents tests pour les schémas de commande indiqués au chapitres II. Un deuxième objectif a été de montrer les performances de la commande vectorielle en temps réel pour la génération de l’électricité et enfin, nous remarquons une assez bonne concordance entre les résultats de simulation et ceux issues de l’expérimentation. 40 Chapitre 3: Simulation et plate forme expérimentale XI. Conclusion générale: L'objectif préalablement défini de ce travail consistait à la modélisation et la commandes d’une génératrice asynchrone à cage. A la lumière de l’étude effectuée, nous avons vu les étapes successives permettons d’élaborer une stratégie de commande pour une génératrice asynchrone a cage jusqu’à sa mise en œuvre. Le premier chapitre a été consacré à la modélisation et la simulation de la génératrice asynchrone auto-excitée que ce soit en régime linéaire et saturé. Nous avons développé dans le deuxième chapitre la commande vectorielle à flux rotorique orienté, en détaillant les estimateurs du flux rotorique ainsi que de la pulsation statorique. Pour finaliser ce travail, nous avons monté un banc d’essai pour le contrôle de la tension du bus continu. Le banc d’essai comporte une génératrice asynchrone triphasée à cage, un onduleur de tension triphasé fonctionnant en redresseur à MLI, une carte dSPACE 1104 ainsi que des capteurs de tension et de courant. Cette étude de la génératrice asynchrone triphasée m’a permis d’avoir énormément de connaissances dans un domaine qui a une importance dans la production defuture propre énergie tell que l’éolienne. 41 BIBLIOGRAPHIE : [1] : Nahidmobarakeh B., Hénon H., Bertin F. et Capolino G.- A., « Une maquette modulaire pour l’initiation à la commande vectorielle des machines à induction », Actes du 4ème Colloque sur l’Enseignement des Technologies et des Sciences de l’Information et des Systèmes (CETSISEEA’03), Toulouse, 13 et 14 novembre 2003, pp. 301-304. [2] : Lamri LOUZE (( Production décentralisée de l'énergie électrique : Modélisation et contrôle d'une génératrice asynchrone auto excitée)) UNIVERSITE MENTOURI – CONSTANTINE 2010 [3] :Redjai Walid, Bensabra Hamza (commande vectoriel de génératrice asynchrone auto –existe appliquer application éolienne)TER UNIVERSTE Ouargla 2011 [4] :Lashab Abderezak.Commande Vectorielle Asynchrone sous la Carte DS1104 2010 de la Machine