N° d'ordre Année

Rosendo Peña-Eguiluz

Description

Niveau: Supérieur

• mémoire

N° d'ordre : 1912 Année 2002 THÈSE présentée pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Spécialité : Génie Electrique par Rosendo PEÑA EGUILUZ Ingénieur et M. Sc. en Electronique de l'Instituto Tecnológico de Toluca (Mexique) D.E.A. Génie Electrique à l'INPT ___________________ Commande algorithmique d'un système mono-onduleur bimachine asynchrone destiné à la traction ferroviaire soutenue le 8 novembre 2002 devant le jury composé de : M. Y. CHERON Président MM. J.-P. HAUTIER Rapporteur F. MEIBODY-TABAR Rapporteur Mme M. PIETRZAK-DAVID MM. B. de FORNEL C. RONDEAU Thèse préparée au Laboratoire d'Electrotechnique et d'Electronique Industrielle de l'ENSEEIHT UMR CNRS N° 5828

• multimotors - estimation techniques


• suppression du capteur mécanique


• motor system


• dual induction


• traction ferroviaire


• contrôle sans capteur de vitesse - commande numerique


• asynchrone

Sujets

• Mémoire
• Institut national polytechnique de Toulouse
• Motor system
• Asynchronisme

Informations

• Publié par: profil-nechor-2012
• Nombre de lectures: 25
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 7 Mo

Extrait

N° d’ordre : 1912 Année 2002 THÈ SE présentée pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Spécialité : Génie Electrique par Rosendo PE ÑA E GUILUZ Ingénieur et M. Sc. en Electronique de l’Instituto Tecnológico de Toluca (Mexique) D.E.A. Génie Electrique à l’INPT ___________________ Commande algorithmique d’un système monoonduleur

bimachine asynchrone destiné à la traction ferroviaire soutenue le 8 novembre 2002 devant le jury composé de : M. Y. CHERON Président MM. J.P. HAUTIER Rapporteur  F. MEIBODYTABAR Rapporteur Mme M. PIETRZAKDAVID MM. B. de FORNEL  C. RONDEAU Thèse préparée au Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique Industrielle de l’ENSEEIHT UMR CNRS N° 5828

ii

Commande algorithmique d’un système

monoonduleur bimachine asynchrone

destiné à la traction ferroviaire

Mots clés :

 Machine asynchrone

 Multimachines

 Traction électrique

 Contrôle sans capteur de vitesse

Resumé

 Contrôle vectoriel

 Techniques d’estimation

 Simulation

 Commande numerique

L'objectif de ce travail est de modéliser et de caractériser le comportement d’un système

monoonduleur bimachine asynchrone appliqué à la traction ferroviaire (bogie d’une

locomotive BB 36000) en vue de la conception de sa commande.

La première partie de ce mémoire est consacrée à la description détaillée du système globale.

L’analyse de l’influence des perturbations internes (variations paramétriques d’une machine)

et externes (décollement du pantographe, patinage, broutement) de ce système est faite dans le

cas d’une structure de commande vectorielle classique appliqué à chaque moteur de

l'entraînement (structure de traction classique).

iii

Dans la deuxième partie, une nouvelle structure de propulsion est proposée. Elle est

constituée d’un onduleur à deux niveaux de tension à modulation de largeur d’impulsion,

alimentant en parallèle les deux machines asynchrones qui à leur tour permettent de créer la

force de traction transmise aux essieux du bogie. La caisse de la locomotive représente une

charge commune pour les deux moteurs. Plusieurs stratégies de commande coopérative sont

étudiés, il s’agit des commandes : moyenne simple, moyenne double, maître  esclave alternée

et moyenne différentielle. Une stratégie d’observation des modes électriques adéquate à ces

différentes contrôles est étudie par la suite. Cet ensemble de commandes est validé à l’aide

d’un logiciel de simulation SABER. Il correspond à une quasiexpérimentation dans la

mesure où le système à contrôler est modélisé en langage MAST et toute la commande

discrète en langage C dans l'environnement de SABER.

La troisième partie est dédiée à la suppression du capteur mécanique ensuite appliqué dans les

commandes coopératives précédemment proposées. Les méthodes partielles de reconstruction

de la vitesse sont : la rélation d’autopilotage, le filtre de Kalman mécanique, l’observateur à

structure variable et MRAS.

Finalement la description de la configuration matérielle pour la réalisation expérimentale est

présentée.

iv

Control Algorithms for Single Inverter

Dual Induction Motor System

applied to Railway Traction

Keywords:

 Induction Motor

 Multimotors

 Electrical Traction

 Sensorless Control

Abstract

 Field Oriented Control

 Estimation Techniques

 Sim ulation

 Digital Control

The goal of this work concerns the modelling and the behaviour characterisation of a single

inverter dual induction motor system applied to a railway traction bogie (BB36000) in order

to concept its control.

First part of this job is dedicated to the detailed description of overall system. The influence

analysis of the internal perturbations (motor parameters variation) and, external perturbations

(pantograph detachment, adherence loss, stickslip) of the system have made considering the

field oriented control applied to each motor of the bogie (classical traction structure).

In a second part, a novel propulsion structure is proposed. It is composed by a single pulse

width modulated two level voltage source inverter. It supplies two parallel connected

induction motors, which generate the transmitted traction force to the bogie wheels. The

locomotive case represents the common load for the two motors. Several cooperative control

strategies (CS) are studied. They are: the mean CS, the double mean CS, the master  slave

switched CS and, the mean differential CS. In addition, an appropriated electric modes

observer structure for these different controls has studied. These controls have validated

applying the perturbations to the models using the solver SABER. This special approach is

equivalent to quasiexperimentation, because the mechanical and the electrical system

components have modelled using MAST language and, the sample control has created by a C

code programme in the SABER environment.

Third part is dedicated to the mechanical sensor suppression and, its adaptation in the co

operative control strategies. The partial speed reconstruction methods are : the fundamental

frequency relation, the mechanical Kalman filter, the variable structure observer and the

MRAS.

Finally, the hardware system configuration of the experimental realisation is described.

vi

Algoritmos de Control para un Sistema

Monoinversor Bimotor Asíncrono

aplicado en Tracción Ferroviaria

Palabras claves:

 Motor asíncrono

 Multimaquinas

 Tracción ferroviaria

 Simulación

Resumen

 Control vectorial

 Técnicas de estimación

 Control sin detector de velocidad

 Control digital

El objetivo de este trabajo consiste en modelar y caracterizar el funcionamiento de un sistema

monoinversor bimotor asíncrono aplicado en tracción ferroviaria (bogie de una locomotora

BB 36000) con la finalidad de concebir su sistema de control.

La primera parte de la memoria está consagrada a la descripción detallada de la totalidad del

sistema. El análisis de la influencia de las perturbaciones internas (variación de los parámetros

eléctricos de un motor) y externas (desconexión del pantógrafo, patinaje) del sistema se

realizó utilizando una estructura de control vectorial clásica, aplicada en cada motor del

sistema mecánico de tracción (estructura de tracción clásica).

En la segunda parte, se propone una nueva estructura de propulsión conformada mediante un

inversor con dos niveles de voltaje modulado en ancho de pulso, alimentando en paralelo los

dos motores asíncronos, los cuales a su turno permiten transmitir la fuerza de tracción a los

ejes delbogie. E l vagón de la locomotora representa una carga común para ambos motores.

Fueron estudiadas diferentes estrategias de control de tipo cooperativo, se trata de los

controles: promedio simple, promedio doble, maestro – esclavo alternado y promedio

diferencial. Se estableció una estructura de observación de las variables de estado eléctricas

de los motores, adecuada a los diferentes controles propuestos. Dichos controles fueron

validados mediante el programa de simulación SABER. Las simulaciones realizadas

corresponden a una semiexperimentación, en la medida en la que el sistema a controlar esta

modelizado en lenguaje MAST y todo el sistema de control digital en lenguaje C, dentro del

ambiente de SABER.

La tercera parte esta dedicada a la eliminación del detector mecánico de velocidad aplicada en

los controles cooperativos

anteriormente

propues tos.

Los métodos parciales para la

reconstitución de la velocidad aplicados son: la relación de auto pilotaje, el filtro de Kalman

mecánico, el observador de estructura variable y el método de modelo de referencia.

Finalmente, se presenta la descripción de la configuración material para la realización

experimental del sistema.

viii

Avant Propos

Les travaux présentés dans ce mémoire ont été effectués au Laboratoire d’Electrotechnique et

d’Electronique

Industrielle

(LEEI), Unité Mixte de Recherche de l’Ecole Nationale

Supérieure d’Electrotechnique,

d’Electronique,

d’Informatique,

d’Hydraulique et de

Télécommunications (ENSEEIHT) de l’Institut National Polytechnique de Toulouse (INPT)

et du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS).

Nous exprimons nos plus distinguées reconnaissances au “Consejo Nacional de Ciencia y

Tecnología” (CONACyT) du Mexique, à la Société Française d’Exportation des Ressources

Educatives (SFERE) et à l’Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (ININ) du

Mexique pour leurs soutiens économique et administratif nécessaires pour la réalisation de ces

travaux.

Au terme de ces trois années de recherche, nous tenons à remercier très sincèrement:

Monsieur Y. CHERON

Directeur de Recherche au CNRS et directeur du LEEI, pour nous avoir fait l’honneur

d’accepter la présidence du jury de soutenance et pour ses conseils prodigués lors de la phase

finale de ce travail.

Monsieur J.P. HAUTIER

Professeur à l’Ecole Nationale Supérieur d’Arts et Métiers de Lille, directeur du Laboratoire

d’Electrotecnique et d’Electronique de Puissance de Lille (L2EP) et responsable de l’équipe

commande pour avoir accepté la tâche de rapporteur de ce mémoire et pour le jugement

scientifique qu’il a bien voulu y porter.

Monsieur F. MEIBODY TABAR

Professeur à l’Ecole Nationale Supérieure d’Electricité et de Mécanique, Chargé de Mission

de la Filière Génie Electrique et Résponsable de l’équipe de recherche électronique de

puissance au Groupe de Recherche en Electrotecnique et Electronique de Nancy (GREEN),

pour l’intérêt qu’il a porte à nos travaux en participant à ce jury en tant que rapporteur.

Madame M. PIETRZAK DAVID

Professeur à l’Institut National Polytechnique de Toulouse, et Directeur du Département de

Génie

ElectriqueAutomatique

à

l’Ecole

Nationale

Supérieure

d’Electrotechnique,

d’Electronique, d’Informatique, d’Hydraulique et de Télécommunications et le responsable

du DEA Génie Electrique pour avoir accepté la direction scientifique de ces travaux de

recherche. Nous apprécions de tout notre cœur ses qualités humaines, son soutien, sa

disponibilité ainsi que ses précieux conseils scientifiques quotidiens qui nous ont permis de

finaliser cette thèse de doctorat.

Monsieur B. de FORNEL

Professeur à l’Institut National Polytechnique de Toulouse, pour m’avoir orienté lors de mon

arrivé en France, sa compétence scientifique, sa grande expérience et ses inestimables

conseils.

Monsieur C. RONDEAU

Ingénieur de la SNCF, pour l’honneur qu’il nous a fait en participant à notre jury de thèse et

pour ses commentaires très constructifs.

x

Nous remercions également :

Monsieur H. FOCH

Professeur

à

l’Ecole

Nationale

Supérieure

d’Electrotechnique,

d’Electronique,

d’Informatique, d’Hydraulique et de Télécommunications et ancien directeur du LEEI pour

m’avoir accueilli au sein du laboratoire.

Monsieur X. ROBOAM

Chargé de Recherche au CNRS et responsable du groupe Systèmes du LEEI, pour son

expérience, sa disponibilité et l’intérêt qu’il a porté à nos travaux, bien que n’ayant pu, à notre

regret, être pr ésent le jour de notre soutenance. Il a établi une collaboration qui s’est révèle

intéressante à l’avenir. Qu’il trouve à travers ce mémoire l’assurance de notre reconnaissance.

Monsieur B. SARENI et Monsieur S. CAUX

Maîtres de Conférences à l’Institut National Polytechnique, pour son soutien et amitié

manifestée tout au long de ce travail.

Nous tenons également à remercier tout le personnel technique, chercheurs et enseignants du

LEEI en particulier :Mesdames C. BODDEN, R. ESCAIG, J. PIONNIE, V. SCHWARZ, I.

LABAL, F. MEBREK, Mademoiselle Ch. CHARRON, Monsieur BERTELLIet ainsi que

Monsieur J.B. DALZOVOpour leurs compétences, leur disponibilité et leur gentillesse.

Le choix personnel d’un chemin de la vie, parmi l’infinité des chemins possibles, nous a fait

partager un même espace  temps. Je suis certain d’avoir aimé cette période commune passée

avec mes amies et collègues :O. Rieux, R. Bensaid, C. Martins, R. Ruelland, P.E. Vidal, L.

Garbuio, S. Canat,:et plus particulièrement H. Ben Attia, A. Ben Abdelghani, H. Demni,

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