Modélisation des entraînements à grande plage de vitesse en vue

JOS´ E ROBERTO FIGUEROA BARNIER
Mod´elisation des entraˆınements `a grande plage de
vitesse en vue de leur conception
Th`ese pr´esent´ee
`alaFacult´edes´etudes sup´erieures de l’Universit´eLaval
dans le cadre du programme de doctorat en g´enie ´el´ectrique
pour l’obtention du grade de Philosophiae Doctor Ph.D.
Facult´e des sciences et de g´enie
UNIVERSIT´ E LAVAL
QU´ EBEC
2008
c
Jos´e Roberto Figueroa Barnier, 2008

R´esum´e
Les entraˆınements ´electriques `a grande plage de vitesse sont des ensembles conver-
tisseur machine qui se caract´erisent par un couple `a faible vitesse sup´erieur au couple `a
haute vitesse, comme dans le cas des applications de traction. Leur performance d´epend
fortement de la puissance apparente du convertisseur, des imp´edances de la machine et
de la loi de commande utilis´ee. Les m´ethodes de conception qui s´eparent la conception
de la machine de celle de l’onduleur et de celle de la loi de commande ne permettent
pas toujours de trouver une solution ad´equate. Il est donc n´ecessaire de r´ealiser une
optimisation globale de tout l’ensemble convertisseur - machine - syst`eme de contrˆole.
Lors de l’optimisation, le nombre d’it´erations pour arriver `a une solution est important
et le temps de calcul est un facteur `aconsid´erer.
Ce travail pr´esente des m´ethodes analytiques de mod´elisation adapt´ees pour l’opti-
misation des syst`emes d’entraˆınement. Les m´ethodes se basent sur une mod´elisation de
la machine sous la forme d’un circuit ´equivalent et une mod´elisation du convertisseur
sous la forme de contraintes de fonctionnement. Elles permettent de calculer rapidement
les courants, les tensions, les pertes, le couple, la commande et les performances pour
les diff´erents points de fonctionnement du cahier des charges.
Ces mod`eles sont illustr´es par des exemples de conception des syst`emes de trac-
tion et d’un alternateur de voiture. Ce travail pr´esente aussi un analyse des machines
polyphas´ees en mode d´egrad´e en utilisant les mod`eles d´evelopp´es.

Abstract
A wide-speed-range electric drive is a system composed of a static converter and
an electric motor that produce high torque at low speed and low torque at high speed,
as in the case of a traction application. The performance is strongly influenced by the
apparent power of the inverter, the impedances of the machine and the control law.
The design methods that separate the design of the machine, the static converter and
the control law do not always find an adequate solution. It is so necessary to carry a
global optimization of the whole system. When optimizing the number of iterations is
very important and the computation time is an important factor.
This work presents analytic modeling methods suited for the optimization of drive
systems. The methods are based in an equivalent circuit machine model and operating
constraint model of the static converter. The methods rapidly calculate the currents,
voltages, losses, torque, control law and performances of the different operating points
of the system design specification.
Those models are illustrated with traction system design examples and a car alter-
nator design example. This work also presents an analysis of polyphase machines in
fault modes.

Avant-propos
Cette th`ese repr´esente pour moi la fin d’une ´etape de ma vie, soit celle d’´etudiant
`a l’Universit´e Laval. Dans cette ´etape, j’ai eu la chance de connaˆıtre mon professeur et
mon directeur, M. J´erˆome Cros qui m’a enseign´e, guid´e, appuy´e, autant sur les plans
technique et mat´eriel que dans la vie quotidienne. Au d´ebut de mon s´ejour `aQu´ebec en
2001, je ne savais pas vraiment qui il ´etait. Maintenant, je le sais, il est un professeur
que n’importe quel ´etudiant voudrait avoir comme directeur et que n’importe quelle
personne voudrait compter parmi ses amis. Envers lui, je garde un tr`es grand respect
et une grande gratitude.
J’ai connu aussi le professeur M. Philippe Viarouge, mon codirecteur, qui m’a mon-
tr´e des aspects nouveaux des entraˆınements `a vitesse variable et qui m’a ´eclair´ede
nombreuses fois lorsque j’ai eu des probl`emes dans mes travaux. Les discussions avec
lui ont toujours ´et´e amusantes et tr`es profitables pour moi, mˆeme s’il me faisait peur
avec son aspect tr`es s´ev`ere et tr`es s´erieux. Envers lui, j’ai une grande admiration pour
ces qualit´es de p´edagogue et comme personne.
M. Cros et M. Viarouge ont fait r´ealit´emonrˆeve de continuer `a´etudier. Je me
consid`ere chanceux de les avoir connus.
Je remercie aussi la Fondation de l’Universit´e Laval pour son appui financier dans le
cadre de son programme de bourses d’exemption des droits de scolarit´e suppl´ementaires.
Sans cette aide, il m’aurait ´et´etr`es difficile de terminer ce travail.
Je remercie les membres du jury, M. St´ephan Astier, M. Richard Gagnon et M.
Maxime Dubois qui ont accept´e gentiment de lire et corriger cette th`ese et `a M. Hoang
Le Huy qui a pr´esid´e la soutenance.

Avant-propos v
J’aimerais remercier l’appui technique et logistique de M. Marco B´eland et de Mme
Ghislaine L’H´ebreux qui a pris sa retraite avant la fin de mes ´etudes.
Je remercie mes amis qui ont enrichi ma vie `aQu´ebec : Ahmed, Charles, Lilian,
Soledad, Davide, Marcel et mes amis au Chili : Ricardo, Carlos, Javier, Jos´eMiguelet
le professeur Alfredo Mu˜noz, mˆemesijenecommuniquepasaveceuxassezsouvent.
Ce travail est d´edi´e`a trois personnes. Mes parents Maria Odette et Jos´e Nolberto
qui m’ont toujours appuy´e dans tous les moments malgr´e la distance. Et Sylvie qui
m’a beaucoup aid´e, tol´er´e et support´e lors des moments difficiles et de doute. Elle est
devenue avec le temps la femme avec laquelle j’esp`ere pouvoir partager le reste de ma
vie.
Gatineau, janvier 2008