TH`ESE Paul-Etienne VIDAL Commande non-linéaire d

Nod’ordre : 2182 Ann´ee 2004
TH` ESE
pr´esent´ee
pour obtenir le titre de
DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE
DE TOULOUSE
Sp´ecialit´e : G´enie Electrique
par
Paul-Etienne VIDAL
Ing´enieur en G´enie Electrique et Automatique (ENSEEIHT)
DEA G´enie Electrique (GEET-TOULOUSE)
Commande non-lin´eaire
d’une machine asynchrone
`a double alimentation
soutenue le 14 d´ecembre 2004 devant le jury compos´e de :
MMe. Ilhem Slama-Belkhodja Pr´esident du Jury
MM. Jean-Paul Hautier Rapporteur
Ren´e Le Doeuff Rapporteur
Franck Betin
Guillaume Gateau
MMe. Maria Pietrzak-David
M. Jean-Louis Pouliquen Invit´e
Th`ese pr´epar´ee au
Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique Industrielle de l’ENSEEIHT
UMR CNRS N◦5828

Commande non-lin´eaire d’une
machine asynchrone `a double
alimentation
Mots Cl´es
– Machine asynchrone `a double alimentation
– Contrˆole vectoriel `a champ orient´e
– Contrˆole `a structure variable
– Mod´elisation en courant
– Mod´elisation en flux
– R´epartition des puissances
R´esum´e :
Cette ´etude pr´esente des strat´egies lin´eaires et non-lin´eaires de contrˆole appli-
qu´ees `a l’asservissement en vitesse d’une Machine Asynchrone `a Double Alimen-
tation (MADA) dont les enroulements statoriques et rotoriques sont reli´es `a des
onduleurs de tensions `a Modulation de Largeur d’Impulsion ind´ependants. Nous
avons choisi de r´epartir les puissances actives entre le stator et le rotor suivant un
certain rapport de proportionnalit´e. Cela nous conduit `a garantir, en r´egime perma-
nent, une r´epartition des pulsations statoriques et rotoriques. Cette r´epartition est
assur´ee dans un premier temps par deux r´egulateurs de pulsations r´eparties, et dans
un deuxi`eme temps par le biais des angles de transformation directement. Nous d´e-
veloppons ensuite deux mod`eles analytiques de la MADA : le premier exprime les
courants, et le second les flux. Les simulations des strat´egies de contrˆole lin´eaire
(contrˆole vectoriel), et non-lin´eaire (contrˆole par mode de glissement), d´emontrent
un bon d´ecouplage entre l’axe magn´etisant et l’axe du couple. Une validation ex-
p´erimentale est pr´esent´ee. Les premiers r´esultats exp´erimentaux montrent le bon
contrˆole de l’´etat magn´etique de la machine, ainsi que la r´epartition des puissances
d´esir´ees `a travers les pulsations.
i

Non-linear control of a doubly fed
induction machine
Keywords
– Doubly Fed Induction Machine
– Field Oriented Control
– Variable Struture Control
– Current Model
– Flux Model
– Power Dispatching
Abstract :
This study deals with linear and non-linear control strategies applied to the
rotation speed feedback of a doubly fed induction machine (DFIM), whose stator
and rotor windings are connected to two Pulse Width Modulation voltage source
inverters. We choose to distribute the active powers between the stator and the
rotor following a certain proportionality ratio. This leads to guarantee, in steady
state operation, a stator and rotor angular frequencies sharing. This distribution
is initially assured by two shared angular frequencies controllers, and in a second
time by the means of the Park transformation angles directly. Two models are
established : the first express the currents, and the second is linked with the fluxes.
The simulations results of the linear control (field oriented control), and non-linear
control (sliding mode control), show a good independence between the main flux
and the torque. An experimental validation is also presented. The results presented
show the satisfactory DFIM flux control. Special attention is paid to the active
power dispatching.
ii

Avant-propos
Les travaux pr´esent´es dans ce m´emoire ont ´et´e r´ealis´es au sein de l’´equipe Com-
mande et Diagnostic des Syst`emes Electriques (CoDiaSE) du Laboratoire d’Elec-
trotechnique et d’Electronique Industrielle de Toulouse (LEEI), Unit´e Mixte de Re-
cherche CNRS/INPT n◦5828. Le laboratoire est implant´e sur le site de l’Ecole Na-
tionale Sup´erieure d’Electrotechnique, d’Electronique, d’Informatique, d’Hydrau-
lique et T´el´ecommunication de l’Institut National Polytechnique de Toulouse.
L’ensemble de ces travaux de recherche ainsi que les activit´es de moniteur n’au-
raient pu avoir lieu sans ´echanges avec les acteurs de la recherche et de l’ensei-
gnement du LEEI et de l’ENSEEIHT. Je les remercie chaleureusement pour les
discussions constructives que nous avons pu avoir. Leur soutien a ´et´e une source
de motivation suppl´ementaire pour enrichir toujours plus mon savoir faire.
Je veux remercier ici tous ceux qui de pr`es ou de loin ont contribu´e `a la r´eussite
de ces travaux. Qu’ils trouvent dans ce m´emoire une trace de ma reconnaissance.
J’adresse ici ma profonde reconnaissance `a Madame Maria PIETRZAK-DAVID,
directeur de Th`ese, Professeur `a l’ENSEEIHT et responsable du d´epartement de
formation G´enie Electrique et Automatique pour son aide et ses encouragements
r´eguliers. Ses qualit´es scientifiques et humaines ont toujours ´et´e une source de mo-
tivation.
Je remercie Madame Ilhem SLAMA-BELKHODJA pour m’avoir fait l’honneur de
pr´esider mon jury de th`ese.
Je remercie ´egalement Messieurs Jean-Paul HAUTIER, Professeur au centre EN-
SAM de Lille et Ren´e LEDOEUFF Professeur des Universit´es `a l’Universit´e de
Nantes pour avoir accept´e la charge de rapporteurs. Nos diff´erents entretiens ont
contribu´e `a la bonne lisibilit´e scientifique de ce m´emoire.
Mes remerciements vont ´egalement `a Messieurs, Frank BETIN, Professeur des
Universit´es `a l’Universit´e d’Amiens, et Jean-Louis POULIQUEN, Ing´enieur `a ALSTOM
POWER CONVERSION Belfort pour avoir accept´e la charge d’examinateurs. De part
leur origine l´eg`erement diff´erente de ma communaut´e de travail, ils ont amen´e un
certain ´eclairage sur le contenu de ce m´emoire.
Enfin je remercie chaleureusement Monsieur Guillaume GATEAU pour avoir
accept´e d’examiner cette soutenance mais surtout pour sa pr´esence et son aide
quotidienne lors de la mise en oeuvre exp´erimentale.
Merci `a M. Yvon CHERON, directeur du LEEI, (LEEI) pour m’avoir accueilli
iii

Avant-propos
dans les murs du laboratoire qu’il dirige.
Merci `a M. Maurice FADEL, responsable du groupe CoDiaSE, pour m’avoir
int´egr´e au sein de son ´equipe de recherche.
Merci `a Messieurs Bruno SARENI et St´ephane CAUX, Maˆıtres de conf´erence `a
l’ENSEEIHT pour leur disponibilit´e et leur enthousiasme. Merci pour les ´echanges
fructueux que nous avons eus, qu’ils aient ´et´e scientifiques, extra-professionels ou
Tarotistique.
Merci `a Jean-Claude HAPIOT, Professeur `a l’ENSEEIHT, qui a ´et´e mon tuteur
en tant que moniteur. J’ai appr´eci´e nos ´echanges en mati`ere de p´edagogie.
Merci `a Alain BOUSCAYROL, Maˆıtre de conf´erence `a l’Universit´e Scientifique
et Technologique de Lille, pour son soutien. Ses conseils avis´es ont contribu´e `a
l’ouverture d’esprit scientifique dont j’ai toujours voulu t´emoigner.
Un grand merci aux secr´etaires du laboratoire qui nous simplifient consid´era-
blement les tˆaches administratives et aux techniciens pour leur aide sur les aspects
exp´erimentaux. A l’ensemble des th´esards que j’ai crois´es ou cˆotoy´es, je leur sou-
haite `a tous une bonne continuation. Un merci particulier `a Grˆace, Lauric, Sylvain,
Martin, et Gianluca, pour leur bonne humeur au quotidien. Nos discussions, pas
toujours scientifique, ont souvent bris´e les dynamiques n´egatives lors de p´eriodes
difficiles.
Je ne peut terminer sans avoir une pens´ee pour mes parents, ma soeur et mon
fr`ere. Ils m’ont toujours soutenu et encourag´e. Le parcours que j’ai eu jusqu’`a ce
jour est en partie leur oeuvre.
Enfin, je voudrais t´emoigner ici de tout mon amour pour celles qui illuminent
mes journ´ees de leur pr´esence,
A ma femme, Caroline
A ma fille, Elona.
iv