ACTA ELECTROTEHNICA 570 Etude Comparative de deux Stratégies de Commande DTC Neuronale d’une MAS Alimentée par Onduleur à Sept Niveaux Benbouhenni Habib1, Taleb Rachid2, Chabni Fayçal2 1 Département de Génie Électrique, Ecole Nationale Polytechnique d'Oran (ENPO), Oran, Algérie Département d'Electrotechnique, Université Hassiba Benbouali de Chlef (UHBC), Laboratoire LGEER, Chlef, Algérie 2 Résumé - Dans cet article, nous allons procéder à une comparaison des performances de deux stratégies de commande DTC de la machine asynchrone de forte puissance (1MW) alimentée par onduleur NPC à sept niveaux .Les éléments théoriques et les résultats de simulation sont présentés et discutés. Les ondulations du flux et du couple seront évaluées et comparées pour les deux stratégies. Le but attendu est d’évaluer la stratégie qui donne la meilleure réponse dynamique. Mots Clés – Moteur asynchrone, Commande Directe du Couple, Onduleur NPC à sept niveaux, Réseaux de Neurones 1. INTRODUCTION Les associations onduleur de tension- machine à courant alternatif constituent un enjeu essentiel dans le milieu industriel, les stratégies de commande de ces associations n'ont cessé de se développer au fil des années. Parmi elles, après l'émergence vers les années 70 de la commande vectorielle, les techniques basées sur la commande directe du couple ont suscité l'intérêt de plusieurs équipes scientifiques et du secteur industriel dès le milieu des années 80[1]. La stratégie de commande DTC (venu du terme anglais " Direct Torque Control "), plus récente que la commande vectorielle, a été inventée par I. Takahashi au milieu des années 80[2]. Elle est basée sur la régulation séparée du flux statorique et du couple en utilisant deux contrôleurs d’hystérésis et une table de commande pour générer de façon directe les ordres de commande de l’onduleur de tension afin d’obtenir des dynamiques de couple et de flux plus importantes. C’est en effet une commande tout ou rien qui utilise directement la tension continue de l’onduleur sans l’intermédiaire d’un étage à modulation de larguer d’impulsion (MLI) qui lui impose un vecteur tension en valeur moyenne. Cela vient du fait que le système de contrôle considère la tension moyenne sur une période de la modulation de largeur d'impulsions (MLI) comme la tension désirée [1]. Dans cette technique de commande, on n’a plus besoin de la position du rotor pour choisir le vecteur tension, cette particularité définit la DTC comme une méthode bien adaptée pour le contrôle sans capteur mécanique des machines à courant alternatif. La génération directe des commandes de l’onduleur nécessite une période d’échantillonnage très courte. Ceci induit un algorithme de commande simple et/ou un calculateur puissant. Le premier variateur de vitesse utilisant cette technique a été commercialisé au milieu des années 90 par la société ABB [1]. Pour montrer le principe de la commande directe du couple d’une machine asynchrone alimentée par un onduleur NPC de tension, on prend l’exemple d’un onduleur NPC à sept niveaux, Par combinaison des douze interrupteurs d'un même bras, on peut imposer à la phase, sept niveaux de tension différents. Donc, le nombre de vecteurs tension disponibles en sortie de l'onduleur NPC à sept niveaux est supérieur au nombre de vecteurs délivrés par un onduleur à deux niveaux. L’application de la DTC apporte une solution très intéressante aux problèmes de robustesse et de dynamique. Cependant cette commande a quelques inconvénients tels que : le non maîtrise de la fréquence de commutation, taille et complexité des tables de commutation et les forts ondulations du couple électromagnétique et du flux statorique. Une solution à ce problème consiste à associer à la DTC des techniques de commande modernes basées sur la commande par réseaux de neurones artificiels. Ce structure ont l’avantage d’être robuste et minimisent considérablement les ondulations du couple électromagnétique et du flux statorique. Cet Article à pour objectif d’étudier, comparer et d’appliquer la technique de commande (DTC) à la machine asynchrone alimentée par l’onduleur NPC à sept niveaux. Au premier lieu nous présentons le principe de la DTC appliqué au convertisseur de la machine asynchrone. Dans une sconde partie, nous passerons en revue le principe de la DTC neuronale. Ensuite, des résultats de simulations du moteur © 2016 – Mediamira Science Publisher. All rights reserved 571 Volume 57, Number 5, 2016 asynchrone commandé par DTC, et DTC Neuronale (DTC-RNA) 2. MODELE DE LA MACHINE ASYNCHRONE On admet que la machine est symétrique, que son induction a une répartition sinusoïdale dans l’entrefer et qu’elle n’est pas soumise à la saturation. dans le référentiel d’axe lié au stator (α β) , la représentation d’état de la machine asynchrone dans un repère lié au stator [3]. X = AX + BU Y = C . X (1) Avec: T T X =[ I αs I βs Φαs Φ βs ] ,U =[ vαs v βs 0 0 ] T r= 2 2 M 1 Lr ;s =1− M ; K = ; λ =[ + M ] sL s L r Rr Ls Lr T s T r Ls Lr λ 0 − s λ 0 − s A = M 0 Tr 0 M Tr K wr 1 sK − K wr s Ls T r ; B = 0 −1 − wr 0 Tr 0 −1 wr Tr s Tr K v 0 αs 1 s L s ; U = v βs 0 0 0 0 Le couple électromagnétique peut alors s’exprimer comme suit: (2) c em = p[Φαs i βs − Φ βs iαs ] 3. ONDULEUR NPC À SEPT NIVEAUX de tension supplémentaire par rapport à l’onduleur quatre niveaux .la tension totale du bus continu vaut E, dans les conditions normales de fonctionnement , celleci est uniformément repartie sur les six capacités qui possèdent alors une tension E/6 à leurs bornes. Chacun des trios bras (a, b et c) de l’onduleur est composé de 12 interrupteurs commandés (K1, K2,…,K12 pour le bras a) et deux diodes de maintien connectés au point milieu du bus continu. La fonction de connexion (FKS) de chaque interrupteur décrit son état fermé ou ouvert. Cette fonction est définie comme suite: 1 si TD ks est fermé F ks = 0 si TD ks est ouvert Nous définissons la fonction de connexion du demi-bras Fbkm telle que: k : numéro du bras (k=1,2,3) 1: pour le demi - bras du haut m= 0 : pour le demi - bras du bas La fonction Fbkm vaut «1» dans le cas où les quatre interrupteurs du demi–bras sont tous fermés, et nulle dans tous les autres cas. Pour (vc1= vc2 = vc3 = vc4 = vc5 = vc6 = E/6), les tensions simples sont exprimées par [4]: va 1 2 vb = 3 −1 vc −1 b − F −2 F −3F b −1 −1 F111+ 2 F112+3F11 113 114 10 E 2 −1 F 211+ 2 F 212+3F b21− F 213−2 F 214−3F b20 6 −1 2 F 311+ 2 F 312+3F b − F 313−2 F 314−3F b 31 30 (3) Le nombre de vecteurs tension pour un onduleur NPC triphasé à sept niveaux est 𝑁𝑁𝑣𝑣𝑣𝑣 = 73 = 343. Mais dans ces 343 vecteurs il y a des vecteurs redondants, c'est-à-dire similaires, parmi les 343 vecteurs on trouve 3*7*(7-1)+1=127 vecteurs différents. Ces 127 vecteurs conduisent à quatre hexagones concentriques. Dans la Fig.2, On distingue 127 positions discrètes, distribuées sur six hexagones, en plus d'une position au centre de l’hexagone. Certaines positions sont crées par plusieurs états redondants. De l'hexagone externe vers l'hexagone interne, les positions du vecteur vs sont crées respectivement par un, deux, trois, quatre, cinq ou six états redondants. La position du centre de l'hexagone, qui correspond a une tension de sortie nulle, est crée par six états redondants. Les 127 positions de vecteur tension de sortie divise le diagramme vectoriel en six secteurs triangulaires. Fig. 1 Onduleur à sept niveaux à structure NPC L’onduleur NPC à sept niveaux est représenté sur la Fig.1. Le bus continu est composé de six capacités en série (c1, c2, c3 , c4 ,c5 et c6,), formant un point milieu noté (o) qui permet à l’onduleur d’accéder à un niveaux Fig.2 Représentation vectorielle des tensions de l’onduleur à cinq niveaux. ACTA ELECTROTEHNICA 572 La redondance des vecteurs tension n'est pas montrée sur cette figure. L'augmentation du nombre de vecteurs tension nous offre la possibilité d'avoir un contrôle du flux et du couple plus précis que lorsque l'on utilise un onduleur à deux niveaux. On répartit les 127 vecteurs tensions et les vecteurs tensions nulles en cinq groupes (Tableau 1) Tableau 1 Répartition en six groupes des vecteurs de tension de sortie de l’onduleur à sept niveaux Vecteurs tensions nulles (000) ;(111) ;(222) ;(333) ;(444) ;(555) ;(666) Vecteurs tensions du premier hexagone (100) ;(110) ;(010) ;(011) ;(001) ;(101) Vecteurs tensions du deuxième hexagone (200);(210);(220) ;(120) ;(020) ;(021) ;(022) ; (012) (002) ;(102) ;(202) ;(201) Vecteurs tensions du troisième hexagone Vecteurs tensions du quatrième hexagone Vecteurs tensions du cinquième hexagone 4. Fig. 4 Différents vecteurs de tensions statoriques délivrées par un onduleur de tension à deux niveaux. (300) ;(310) ;(320) ;(330);(230) ;(130) ;(030); (031) (032) ;(033);(023) (013) ;(003) ;(103);(203);( 303) (302) ;(301) (400) ;(410) ;(420) ;(430);(440);(340) ;(240) ; (140) (040) ;(041) ;(042) ;(043)(044) ;(034) ;(024) ; (014) (004);(104);(204);(304) ;(404) ;(403) ;( 402) ;(401) (505);(510);(520) ;(530) ;(540) ;(550) ;(450) ; (350) (250) ;(150)(050) ;(051) ;(052) ;(053) ;(054) ; (055) (045);(035);(025) ;(005);(105) ;(205) ;( 305) ;(405) (505) ;(504) ;(503) ;(502) ;(501) PRINCIPE DU COMMANDE DTC Le principe est la régulation directe du couple de la machine asynchrone par l’application des différents vecteurs de tension de l’onduleur, qui détermine son état. Les deux variables contrôlées sont le flux rotorique et le couple électromagnétique qui sont commandées par des régulateurs à hystérésis. Dans une commande DTC il est préférable de travailler avec une fréquence de calcul élevée afin de réduire les oscillations de couple provoquées par les régulateurs [5]. Le convertisseur de puissance utilisé dans le coté stator de la machine asynchrone est un onduleur de tension classique à deux niveaux (voir Fig.2) Ce dernier permet d’atteindre huit positions distinctes dans le plan de phase, correspondant aux huit séquences de tension de l’onduleur [6]. Fig. 3 Structure de base de la Commande Directe du Couple AF : Augmenter le Flux DF : Diminuer le Flux. AC : Augmenter le Couple DC : Diminuer le Couple Le flux statorique et le couple électromagnétique sont calculés à partir des équations suivantes [7, 8]: 2 +Φ2 Φ s = Φα s βs (4) Avec: t Φαs = ∫ ( vαs − R s iαs ) dt 0 (5) t Φ βs = ∫ ( v βs − R s i βs ) dt 0 (6) L’ongle θs et Cem est calcule à partire de: θ s = arctg ( [ Φ βs Φ as (7) ) c em = p Φαs i βs − Φ βs iαs ] (8) Les valeurs estimés du couple et du flux statorique sont comparés respectivement à leurs valeurs de références Cem* et ɸs estimés; les résultats de la comparaison forment les entrées des comparateurs à cycle d’hystérésis. La sélection du vecteur tension approprié est basée sur le table de commande (Tableau 2). Les entrées sont le numéro du secteur du flux et les sorties des deux comparateurs à hystérésis. Tableau 2 Table de vérité du onduleur à deux niveaux N 1 2 3 4 5 Cflx Ccpl 2 3 4 5 6 1 1 2 3 4 5 0 1 6 1 2 3 4 -1 3 4 5 6 1 1 4 5 6 1 2 0 0 5 6 1 2 3 -1 6 1 6 5 2 3 4 573 Volume 57, Number 5, 2016 Afin de réaliser le contrôle direct du flux et de couple de la MAS alimentée par onduleur NPC de tension à sept niveaux, on élabore deux tables des commutations qui tiennent compte de tous les vecteurs de tension disponibles en sortie de l’onduleur. La construction des tables des commutations est basée sur la table de l’onduleur deux niveaux(Tableau 1). Le choix des vecteurs tensions statorique qu'on appliqué va permettre d'augmenter ou de diminuer le module du flux statorique et la valeur du couple électromagnétique. Les tables des vérités et données par les Tableaux 3 et 4. Tableau 3 Table de vérité pour l’onduleur à sept niveaux (stratégie1) Cflx Secteur N 1 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 0 Ccpl 27 28 33 37 40 42 48 49 54 58 61 63 69 70 75 79 82 84 90 91 96 100 103 105 111 112 117 121 124 126 6 7 12 16 19 21 0 4 4 9 14 14 8 25 25 30 35 35 39 46 46 51 56 56 60 67 67 72 77 77 81 88 88 93 98 98 102 109 109 114 119 119 123 -1 111 112 117 121 124 126 6 7 12 16 19 21 27 28 33 37 40 42 48 49 54 58 61 63 69 70 75 79 82 84 90 91 96 100 103 105 1 48 49 54 58 61 63 69 70 75 79 82 84 90 91 96 100 103 105 111 112 117 121 124 126 6 7 12 16 19 21 27 28 33 37 40 42 0 67 67 72 77 77 81 88 93 98 98 102 109 109 114 119 119 123 4 4 9 14 14 18 25 25 30 35 35 35 39 46 46 51 56 56 60 -1 90 91 96 100 103 105 111 112 117 121 124 126 6 7 12 16 19 21 27 28 33 37 40 42 48 49 54 58 61 63 69 70 75 79 82 84 Tableau 4 Table de vérité du onduleur à sept niveaux N 1 2 3 4 Cflx Ccpl 27 48 69 90 6 21 42 63 84 5 19 40 61 82 4 16 37 58 79 3 12 33 54 75 2 7 28 49 70 1 6 27 48 69 0 126 21 42 63 -1 124 19 40 61 -2 1 121 16 37 58 -3 117 12 33 54 -4 112 7 28 49 -5 111 6 27 48 -6 37 58 79 100 6 37 58 79 100 5 33 54 75 96 4 33 54 75 96 3 28 49 70 91 2 28 49 70 91 1 0 0 0 0 0 100 121 16 37 -1 100 121 16 37 -2 0 96 117 12 33 -3 96 117 12 33 -4 91 112 7 28 -5 91 112 7 28 -6 48 69 90 111 6 47 68 89 110 5 46 67 88 109 4 45 66 87 108 3 5 26 47 68 2 68 89 110 5 1 26 47 68 89 0 88 109 4 25 -1 89 110 5 26 -2 -1 90 111 6 27 -3 84 105 126 21 -4 82 103 124 19 -5 79 100 121 16 -6 5. (stratégie 2) 5 6 111 105 103 100 96 91 90 84 82 79 75 70 69 121 121 117 117 112 112 0 58 58 54 54 49 49 6 5 4 3 89 26 110 46 47 48 42 40 37 6 126 124 121 117 112 111 105 103 100 96 91 90 16 16 12 12 7 7 0 79 79 75 75 70 70 27 26 25 24 110 47 5 67 68 69 63 61 58 COMMANDE DTC NEURONALE Les réseaux de neurone artificiels (RNA) peuvent être utilises pour concevoir des contrôleurs numériques pouvant maintenir des performances dynamiques élevées de la machine même avec le problème de déréglage [6]. Il à été prouvé que les RNA sont des approximateurs universels des systèmes dynamiques non linéaires. Ils sont capables d’imiter le comportement de n’importe quel système dynamique non linéaire complexe en utilisant les réseaux de neurones multicouche approprié [6]. La commande DTC classique présentent plusieurs inconvénients, tel que l’obtention d’une fréquence de commutation variable, les ondulations du couple et de flux, les fluctuations des puissances et les harmonique des courants dans le régime transitoire et permanent, à 574 ACTA ELECTROTEHNICA cause de l’utilisation des comparateurs à hystérésis et les tables de commutation. Pour cela, nous avons proposé d’étudier dans ce partie la commande directe du couple basée sur les réseaux de neurones artificiels, pour améliorer les performances des commandes DTC, où les comparateurs classiques et la table de commutation sont remplacés par un contrôleur neuronal, afin de bien conduire les grandeurs de sortie de la MAS vers leurs valeurs de référence durant une période de temps fixe. Des simulations numériques sont présentées pour tester les performances des méthodes proposées (DTC-RNA) [7]. La structure de la commande neuronale directe du couple de la machine asynchrone alimenté par onduleur NPC, est représentée par la fig.4. La figure suivante présentée la structure de réseaux de neurones pour DTC neuronale à sept niveaux (stratégie 1). Fig. 5 Structure de réseaux de neurons La mise à jour des poids et des Biais de ce réseau est réalisés par un algorithme de retro-propagation nommé l’algorithme de Levenberg-Marquardt (LM). Pour illustrer le fonctionnement de la commande et réaliser les etudes prospective, un modele de simulation développée dans l’environnement fourni par matlab/Simulink, une application développée dans l’environnement fourni par matlab /Simulink. Nous avons utilisés dans la commande les paramètres de contrôle suivante: Cr = échelon variable de 6500 à -6500N.m à l’instant t=0.8s, ∆ce =0.05N.m, ∆ɸs =0.001wb, la vitesse référence wref =1000tr/min, une période d’echantionnage Te =50μs, ɸsref =3.6wb. Fig. 4 Commande directe du couple de la MAS basée sur les RNA Le choix de l’architecture des réseaux de neurone se fait selon l’erreur quadratique moyenne (EQM) obtenue au court de l’apprentissage [7]. Nons avons prendre une architecture de réseau de neurones multicouches à structure : 3-64-3, c’est à dire un MLP à 3 couches, une couche d’entrée contenant 3 neurones, une seule couche cachée contenant 64 neurones et une couche de sortie contenant 3 neurones aussi, utilisant respectivement les fonctions d’activations : 'logsig', 'tansig' et 'purelin'. Pour les toutes simulations du commande DTC Neuronale, on prendre les propriétés suivante (Tableau 5) : Tableau 5 Propriété du LM pour DTC Neuronale Paramètres du LM valeurs Nombre de couche cachée 64 Pas d’apprentissage 0.002 Pas d’affichage (affichage de l’erreur par 50 morceaux) Nombre d’itération (epochs) 5000 Coef d’accélération de convergence (mc) 0.9 Erreur (goal) 0 Fonctions d’activation logsig, Tansig, Purelin Paramètre de moteur asynchrone à forte puissance sont: puissance nominale Pn = 1MW, Tension nominale Vn = 791v, fréquence fs = 60Hz, Résistance statorique Rs = 0.228Ω, résistance rotorique Rr = 0.332Ω, inductance statorique Ls = 0.0084H, inductance rotorique Lr = 0.0082H, inductance mutuelle Lm = 0.0078H, number de paire de pole p = 3, moment d’inertie J = 20kg.m2, coefficient de frottement Kf = 0.008Nm.s.rad−1. 6. RÉSULTATS DE SIMULATION Les résultats de simulation du DTC avec et sans RNA de la MAS alimentée par un onduleur de tension à deux et à cinq niveaux sont illustrés dans les figures 6, 7,8 et 9,10. Volume 57, Number 5, 2016 Fig. 6 Réponse de la machine asynchrone en variation de couple de charge pour une vitesse référence w=1000tr/min avec DTC-2 niveaux 575 Fig. 7 Réponse de la machine asynchrone en variation de couple de charge pour une vitesse référence w=1000tr/min avec DTC à sept niveaux (stratégie 1) 576 ACTA ELECTROTEHNICA Fig. 9 Réponse de la machine asynchrone en variation de couple de charge pour une vitesse référence w=1000tr/min avec DTC-RNA-7 niveaux (stratégie 1) Fig. 8 Réponse de la machine asynchrone en variation de couple de charge pour une vitesse référence w=1000tr/min avec DTC-7 niveaux (stratégie 2) 577 Volume 57, Number 5, 2016 c) Fig. 10 Réponse de la machine asynchrone en variation de couple de charge pour une vitesse référence w=1000tr/min avec DTC-RNA-7 niveaux (stratégie 2) d) a) e) Fig. 11 Zoom du flux et couple :a)commande DTC-2N, b) commande DTC-7N (stratégie1),c) commande DTC-7N (stratégie2) ,d) commande DTC-RNA-7N (stratégie1), e) commande DTC-RNA-7N (stratégie2) Dans le Tableau 6, nous résumons les résultats de simulation obtenus par DTC classique et neuronale. b) ACTA ELECTROTEHNICA 578 Tableau 6 Etude comparative entre la DTC-2Niveaux ,DTC7Niveaux et DTC-RNA-7Niveaux Minimisation Minimisations Isa s des des THD ondulations ondulations (%) du couple du flux 23.15 Assez bonne Assez bonne DTC-2 NIVEAUX Stratégie 1 11.26 bonne bonne DTC-7 NIVEAU X DTC- Stratégie 2 12.01 bonne bonne Stratégie 1 10.73 Trés bonne Trés bonne Stratégie 2 10.96 Trés bonne Trés bonne oscillations des grandeurs contrôlées tel que le couple, flux et le THD de courant statorique, ce qui est confirmé par les résultats de simulation. REFERENCES 1. 2. RNA-7 NIVEAU X La Fig.11 et le Table 6 montré que la commande DTC Neuronale réduit considérablement les ondulations du couple électromagnétique et flux statorique comparativement à celle de la DTC. D’un autre coté, on remarque que le stratégie 1 du commande DTC-7 niveaux donner de bons résultat mieux comparativement à la stratégie 2 du commande DTC-7 niveaux et la commande DTC-2 niveaux. La vitesse atteinte sa référence sans dépassement au démarrage à vide pour les toutes stratégies .Et la couple suivre la couple de charge. La dynamique des composantes du flux statorique n’est pas affectée par l’application de ces consignes de charges 7. CONCLUSIONS Dans cet Article on à présenté deux stratégie du commande DTC d’un moteur asynchrone de forte puissance (1Mw) alimenté par un onduleur NPC à sept niveaux, et le technique de réseaux de neurones ont été appliquées à la commande DTC-7 niveaux. La comparaison entre les deux stratégies nous à montré les avantages apportés par l’utilisation de commande DTC avec réseaux de neurones (couple à 3 niveaux, flux à 2 niveaux avec 36 secteurs): la minimisation des 3. 4. 5. 6. 7. 8. K.Benmensour, « Réalisation d’un banc d’essai pour la commande et l’observation des convertisseurs multicellulaires séries :Approche hypride,» Thése Doctorat ,université cergy Pontoise ,soutenue le 29/06/2009. A.Manuel, J. Francis, « Simulation of Direct Torque Controlled Induction Motor Drive by Using Space Vector Pulse Width Modulation for Torque Ripple Reduction,» International Journal of Advanced Research in Electrical, Electronics and Instrumentation Engineering, Vol. 2, Issue 9, September 2013. B.Farid, « Etude des différents techniques de commande des onduleurs à MLI associés à une machine asynchrone » Mémoire de magister, université badji mokhtar-annaba, soutenue 2006. 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