Modélisation des onduleurs

MODELISATION DE L’ENTRAiNEMENT
ELECTRIQUE MULTI-MACHINE DE LA
TOYOTA PRIUS II
par
NGUYEN VAN CUONG
Responsables : LAURENT GERBAUD(G2Elab)
BERTRAND DU PELOUX(CEDRAT)
EMMANUEL VINOT (INRETS)
Contexte et objectif
Projet C6E2 : outils pour la simulation de systèmes
mécatroniques
Partenaires : CEDRAT, IMAGINE, le G2Elab et l’INRETS
Objectif : cas test C6E2 sur la motorisation électrique de la
PRIUS II en utilisant du reverse - engineering
Définir une modélisation paramétrée des composants du
véhicule PRIUS II pour faire des études
comportementales
28/08/2008
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Plan de la présentation
Présentation de l’entreprise et du laboratoire
Modélisation et dimensionnement des machines
électriques de la Prius II
Commande des machines électriques
Modélisation de l’unité de contrôle de puissance
Simulation et comparaison du résultat avec le résultat
de simulation INRETS de référence
Conclusion et Perspectives
28/08/2008
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Présentation de la société
CEDRAT
CEDRAT group est un groupe
de quatre sociétés
CEDRAT Technologies (Meylan, France)
CEDRAT SA (Meylan, France)
MAGSOFT (Balston Spa, NY, USA)
Adapted solutions (Chemnitz, Germany)
avec environ 75 personnes et 34 distributeurs techniques
dans le monde
qui fournit des logiciels, des matériels et des services
CEDRAT SA (à Meylan)
Développement et vente de logiciels pour le génie électrique
Formation, support technique
Etudes
Logiciel utilisé dans le projet
Flux : simulation éléments finis en électromagnétique et
thermique
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Présentation des
laboratoires
G2Elab
Un grand laboratoire grenoblois en Génie électrique
porté par trois partenaires INPG, UJF et le CNRS.
- Ce stage s’est déroulé aussi dans l’équipe MAGE
(modélisation, méthode et méthodologie pour le génie
électrique) du laboratoire.
L’INRETS (Institut National de Recherche sur les transports et
la Sécurité), site de Bron
un centre de recherche dans le champ des transports terrestres et
aux interfaces du maritime et de l’aérien.
Dans le contexte de ce stage, l’INRETS fournit :
le modèle complet de simulation du véhicule Prius II
reposant sur des tables de mesures
ainsi que les spécifications des machines électriques.
28/08/2008
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Motorisation du véhicule PRIUS II
Génératrice
Batterie
Moteur
thermique
UCP
Train
épicycloïdal
Moteur électrique
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Transferts d’énergie dans la
PRIUS II
Génératrice
Batterie
Moteur
thermique
UCP
Train
épicycloïdal
Démarrage et régime de
faible à moyenne vitesse :
seul le moteur électrique
entraîne le véhicule.
Conduite en conditions
normales: La puissance du
moteur thermique est
transmise au véhicule
Accélération brusque: La
puissance de la batterie et
du moteur thermique est
utilisée.
Décélération, freinage: Le
moteur électrique fonctionne
comme un générateur
rechargeant la batterie
Moteur
électrique
28/08/2008
Rechargement de la
batterie: La puissance du
moteur thermique est
transmise à la batterie si
nécessaire
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Simulation INRETS de référence
Simulation
conçue sous Matlab/Simulink
par l’INRETS
à partir des mesures expérimentales sur la PRIUS II.
sous forme de tables de mesures => pas d’équations paramétrées
Lois de commande et
cartographies
La
batterie
Le hacheur
(cartographie)
Les machines électriques et
onduleurs (cartographies)
28/08/2008
Moteur thermique
(cartographié)
Train épicycloïdal
(cartographie)
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Les composants à
modéliser
Schéma d’alimentation de puissance et de la motorisation
Moteur
électrique
Génératrice
Deux onduleurs
Hacheur
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Ainsi que les
stratégies de
commande
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Modélisation et
Dimensionnement des machines
électriques de la PRIUS II
28/08/2008
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Modélisation et dimensionnement
du moteur
Machines
Commande
Onduleur
Hacheur
Simulation
trouver un dimensionnement
qui donne un couple désiré pour chaque machine
Respecte au mieux les dimensions géométriques et densité de courant
Point de départ :
données incomplètes
Moteur
Un couple de 400Nm
pour une densité
entre 8A/mm² et
10A/mm² à basse
vitesse
Couple désiré
358Nm de couple
maximal pour le moteur
Données
initiales +
modifications
Géométrie
Performance
simulation sous FLUX
(utilisation de densités de courant)
28/08/2008
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Modélisation et dimensionnement
de la génératrice
Machines
Commande
Onduleur
Hacheur
Simulation
Point de départ :
données incomplètes
Génératrice
Un couple de 160Nm
pour une densité
entre 8A/mm² et
10A/mm² à basse
vitesse
Couple désiré
158Nm de couple maximal
pour la génératrice
Données
initiales +
modifications
Géométrie
Performance
simulation sous FLUX
(utilisation de densités de courant)
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Calage du modèle pour avoir la FEM
souhaitée des machines
Machines
Commande
Onduleur
Hacheur
Simulation
simulation FLUX
Remplacer les densités de courant par des conducteurs
Trouver le nombre de spires/encoche qui permet de donner une amplitude
de la FEM désirée pour chaque machine
Moteur
100V à 727 tr/min pour
le moteur
Vitesse à
vide
NS/encoche
727 tr/min
19
Amplitude
FEM
153
Amplitude
FEM
désirée
100
NS/encoche
100/153*19
= 13
FEM désirée
Résultat obtenu
Condition d’étude
50V à 1890 tr/min pour
la génératrice
Vitesse à
vide
1890 tr/min
NS/encoche
20
Génératrice
28/08/2008
Amplitude
FEM
160
Amplitude
FEM
désirée
50
NS/encoche
50/160*20
=7
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Choix du modèle analytique :
Modèle de Park des machines
Machines
Commande
Onduleur
Hacheur
choix d’un modèle de Park car :
Simulation
Adapté à la simulation dynamique
Adapté à l’élaboration des commandes
identification par simulation FLUX
Moteur
Densité de
courant
(A/mm²)
8
Ld, Lq et φSpm du
modèle de Park
pour le moteur et
la génératrice?
Génératrice
Surface
(mm²)
Nombre de
spires/encoche
314.4
13
Courant
nominal
(A)
φSpm
(weber)
Ld
(mH)
Lq
(mH)
96,7385
0.413
3.34
6.59
Résultat obtenu
Condition d’étude
Densité de
courant
(A/mm²)
Surface
(mm²)
Nombre de
spires/encoche
Courant
nominal
(A)
φSpm
(weber)
Ld
(mH)
Lq
(mH)
8
361.0
7
206
0.0780
0.492456
0.761
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Machines
Commande
Onduleur
Hacheur
Simulation
Commande des machines
électriques
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Machines
Commande
Onduleur
Hacheur
Simulation
Commande des machines : choix d’une
commande vectorielle
Bien adaptée à nos machines
Facile à commander car la
partie linéaire est des équations
du premier ordre
Calcul des
gain des
régulateur
vSd
iSdref
PI
iSd
 diSd
Ld dt = vSd − RS iSd + ωLqiSq

L diSq = v − R i − ωL i − ωφ
Sq
S Sq
d Sd
Spm
 q dt
ωLqiSq
Régulateurs
pour la partie
linéaire
Couplage avec
la partie non
linéaire
iSqref
vSq
PI
Equations du
modèle de Park
Ajout de terme
de découplage
28/08/2008
iSq
ωLd iSd
ωφSpm
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Machines
Commande
Onduleur
Hacheur
Commande à basse vitesse : choix
de la commande au couple maximal
Simulation
Temref =
3
3
p( Ld − Lq )iSdref iSqref + pφSpmiSqref
2
2
couple
«réluctant»
couple
«synchrone»
Temrel
Tems
Commande par le couple synchrone : isdref = 0
utilise le couple synchrone et annule le couple réluctant
simple à mettre en œuvre.
n’exploite pas le couple réluctant : limitatif en montée en vitesse
Commande au couple maximal
À partir de la consigne Temref, utilise des tables donnant le meilleur compromis sur iSdref et
isqref donnant is minimal
utilise à la fois le couple synchrone et le couple réluctant
Permet de monter plus haut en vitesse
=>savoir au préalable tous les paramètres de la machines
28/08/2008
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Machines
Commande
Commande à vitesse élevée
Onduleur
Hacheur
Simulation
assurer la limite de tension et de courant de la machine
permettre de courir donc un plage complète de la machine
Temref
3
3
= p( Ld − Lq )iSdref iSqref + pφSpmiSqref
2
2
couple
«réluctant»
couple
«synchrone»
Temrel
Tems
couple
maximal
Augmenter le
couple
réluctant
Diminuer le
couple synchrone
axe q
ωbase
limite de
courant I Sam
I Sa
ω > ωbase
limites de tension
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axe d
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Combinaison de deux commandes d’une
machine électrique
Machines
Commande
Onduleur
Hacheur
Simulation
Temref
Commande à
basse vitesse
(iSdref ,iSqref )
Découplage et
Transformation
Commande
vectorielle
Commande à
vitesse élevée
dq to abc
ω
(iSd ,iSq )
U DC
Onduleur
Transformation
abc to dq
Vitesse de base
ωbase
θ
ω
Position
θ
Position
MS
la combinaison de deux commandes d’une machine synchrone
Cette combinaison de deux commandes permet de couvrir la plage
complète de vitesse d’une machine.
28/08/2008
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Machines
Commande
Commande de tension du bus
Onduleur
Hacheur
Simulation
Commande en défluxage diminue l’efficacité des machines en augmentant les pertes
La solution : élever la tension du bus en amant des convertisseurs alimentant les
machines.
U DC
T emref
Commande à
basse vitesse
( i Sdref , i Sqref )
Découplage et
Transformation
Commande
vectorielle
dq to abc
ω
( i Sd , i Sq )
Onduleur
Transformation
abc to dq
θ
Position
θ
Position
MS
Commande d’une machine avec la tension du bus variable
La consigne de tension du bus est commandée en fonction du couple demandé et la
vitesse des deux machines
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Machines
Commande
Onduleur
Hacheur
Simulation
Commande au
couple maximal
Schéma de simulation sous
Matlab/Simulink
Régulateur iSd
Commande
en défluxage
Régulateur iSq
28/08/2008
21/ 35
Machines
Commande
Courbe de simulation
Onduleur
Hacheur
Simulation
Basse vitesse / haute vitesse
-40
-60
Courant de
l'axe d (A)
-80
-100 2
100
80 Courant de
60 l'axe q (A)
40
20 2
temps (s)
4
4
1
0.5
0
-0.5 Basse vitesse
-12
4
6
8
6
8
10
Changement du
mode de
commande
Vitesse élevée
6
4000
Vitesse de la machine (tr/min)
3000
2000
1000
00
2
4
10
8
12
14
12
temps (s)
14
Les courants
constants à
basse vitesse
Les courants
diminués à
vitesse élevée
temps (s)
10
12
14
temps (s)
6
8
10
12
14
Deux modes de commande pour le moteur
28/08/2008
22/ 35
Modélisation des onduleurs
28/08/2008
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Onduleur de tension triphasé avec sa MLI
vectorielle
Machines
Commande
Onduleur
Hacheur
Simulation
alimente le courant alternatif pour chaque machine électrique
assure un temps de simulation assez court
Modèle exact :
Sans pertes
Les commandes sont les valeurs exactes.
Les commutations sont simulées
idéalisé
Le temps de simulation est important
Modèle moyen :
les commandes sont moyennées.
Structure de l’onduleur
Les commutations ne sont pas simulées
Le temps de simulation est réduite par
rapport au modèle exact.
Une modélisation moyenne des commandes a été faite pour la
MLI vectorielle
28/08/2008
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Simulation d’un onduleur avec la MLI
vectorielle
Machines
Commande
Onduleur
Hacheur
Simulation
Courant isa (A)
les courants
identiques
8
6
4
2
0
-2
-4
-6
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
0.04
0.045
Temps(s)
Courants du modèle exact et du modèle moyen
Tension vsa (V)
la même fréquence
fondamentale pour les
tensions
150
100
50
0
modèle moyen
-50
beaucoup plus rapide
-100
-150
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
Tensions du modèle exact et du modèle moyen
Modèle exact
0.04
0.045
Temps(s)
Modèle moyen
Tensions et Courants des modèles de l’onduleur
alimentant le moteur
28/08/2008
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Modélisation du hacheur
28/08/2008
26/ 35
Machines
Commande
Onduleur
Hacheur et la stratégie de commande
du hacheur
Hacheur
Simulation
tension continue en sortie entre 200Vdc et 500Vdc
augmentation de la puissance des machines
deux modes de fonctionnement : survolteur et dévolteur (charge ou décharge
de la batterie)
Hacheur
28/08/2008
27/ 35
Machines
Commande
Commande du hacheur
Onduleur
Hacheur
Simulation
utilise d’un régulateur PI pour assurer une bonne tension en sortie du
hacheur
Commande du
hacheur
La consigne de Udc donnée par la simulation INRETS
28/08/2008
28/ 35
Machines
Commande
Simulation du hacheur en mode de
boost sous matlab/simulink
Onduleur
Hacheur
Simulation
simulation avec une résistance en sortie du hacheur
une bonne tension en sortie du hacheur
600
Simulation du hacheur en mode de boost
volt
500
400
300
200
100
0
Tension actuelle
Tension demandée
-100
0.2
0.4
0.6
s
0.8
1
28/08/2008
1.2
1.4
1.6
1.8
2
29/ 35
Simulation et comparaison des
modèles des machines avec la
simulation INRETS de référence
28/08/2008
30/ 35
Machines
Commande
Onduleur
Hacheur
Remplacement des tables de couple du
moteur par son modèle analytique
Simulation
Modèle cartographié remplacé par
le modèle analytique
Les pertes restent modélisées par
tables de mesures
Modèle cartographié du
moteur
Modèle du moteur remplacé
28/08/2008
31/ 35
Machines
Commande
Onduleur
Hacheur
Simulation
Vitesse(m/s)
60
40
20
0
Simulation du modèle de moteur sans
modélisation
des onduleurs
%
60
Etat de charge de la batterie
50
Méconnaissance
À approfondir
40
Vitesse du Véhicule
Temps(s)
30
20
-20
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0
Couple(Nm)
150
600
Consigne de Couple et Couple réel
du moteur et la génératrice
100
400
Courant(A)
50
200
0
Temps(s)
-50
0
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0
Simulation actuelle
Simulation INRETS
Temps(s)
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Courant de la batterie
Temps(s)
20 30 40 50 60
Simulation actuelle
70
80
90
100
Simulation INRETS
Le modèle de l’INRETS contenant presque tous les modèles de charge du véhicule.
A basse vitesse, le résultat de simulation identique à celui de simulation INRETS.
A vitesse élevée, la commande n’est plus adaptée au modèle global
ajout d’une autre stratégie de commande du moteur à vitesse élevée sachant que seul le moteur
thermique est solicité.
28/08/2008
32/ 35
Machines
Commande
Simulation du modèle de moteur avec la
modélisation des onduleurs
Onduleur
Hacheur
Simulation
60
60
Vitesse du véhicule (m/s)
40
50
20
40
0
-20
0
10
20
30
40
600 Couple du moteur(Nm)
50
60
70
Etat de charge de la batterie (%)
30
Temps(s
)
80
90 100200
200
10
20
30
40
50
60
70
Temps(s)
80 90 100
Courant de la batterie(A)
400
100
200
0
0
Temps(s)
-200
0
10
20
30
40
50
60
Simulation de l’INRETS
70
80
90
Temps(s)
-100
100
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Simulation actuelle
pareil au résultat de simulation sans modélisation l’onduleur.
modélise bien l’onduleur
Le même problème que précédemment.
28/08/2008
33/ 35
100
Conclusion et Perspectives
Modèles des machines cohérents avec les machines réelles de la
Prius II
Bonnes stratégies de commande des machines à basse et moyenne
vitesse.
Modèles exact et moyen pour les convertisseurs avec leur
commande
A faire, le couplage entre Flux et Amesim avec les pertes dans les
machines (évaluation des pertes faites pour le moteur)
faire les structures de commande à vitesse élevée
Développer des stratégies de supervision énergétique dans la
voiture
28/08/2008
34/ 35
MERCI DE VOTRE ATTENTION
28/08/2008
35/ 35
QUESTIONS?
28/08/2008
36/ 35
Hacheur fonctionne en mode de
boost
di

=
V
L
L

dt

i = C dVs + i
ch arg e
 D
dt
 di
 L dt = Vb − (1 − Sboost )Vs

C dVs = (1 − S )i − i
boost
ch arg e
 dt
Modèle exact
< Sboost >= D
le Tboost est fermé : Sboost = 1 : VL = Vb et iD =
0
Moyenner
 d <i>
 L dt =< Vb > −(1 − D) < Vs >

C d < Vs > = (1 − D) < i > − < i
ch arg e >

dt
Modèle moyen
Rapport cyclique
le Tboost est ouvert : Sboost = 0: VL = Vb – V et iD = i
β boost =
Vs
1
=
Vb 1 − D
La tension en sortie VS du hacheur est
donc augmentée.
28/08/2008
37/ 35
Hacheur fonctionne en mode de
buck
di

=
V
L
L

dt

i = C dVs + i
ch arg e
 D
dt
 di
 L dt = Vb − S buckV

C dV = −(1 − S )i − i
buck
ch arg e
 dt
Modèle exact
< Sboost >= D
Moyenner
 d <i>
 L dt =< Vb > − < S buck >< V >

C d < V > = −(1− < S
buck >) < i > − < ich arg e >

dt
le Tbuck est fermé:Sbuck= 1 : VL = Vb – VS et iD =
0
Modèle moyen
Vb
=D
Vs
Le rapport cyclique est commandé pour que
la tension de la batteries soit constante.
Rapport cyclique
le Tbuck est ouvert : Sbuck = 1 : VL = Vb et iD =- i
28/08/2008
β buck =
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Calcul des pertes fer à vide du moteur
but : pour avoir ces pertes dans le bilan énergétique de la simulation
pour le couplage Flux - Amesim
Les pertes sont calculées selon la formule de Bertotti.
300
Pertes fer
(W)
250
200
150
100
Moteur
50
Vitesse (tr/min)
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
Pertes fer à vide en fonction de la vitesse
C’est juste un première étape de calcul des pertes fer pour le moteur, le but est de calculer les
pertes fer en fonction de la vitesse et du courant de phase. Cela sera fait après la comparaison
des modèles de simulation.
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39/ 35
28/08/2008
40/ 35
couple
maximal
axe q
ωbase
limite de
courant I Sam
I Sa
ω > ωbase
limites de tension
28/08/2008
axe d
41/ 35
28/08/2008
42/ 35