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INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE

Ecole Doctorale : IAEM (Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques)
Département de Formation Doctorale : Electronique – Electrotechnique


N° attribué par la bibliothèque
/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/



Thèse

Présentée en vue d'obtenir le grade de

Docteur de l’Institut National Polytechnique de Lorraine.
Spécialité : Génie Electrique


par
Jean-Philippe MARTIN




CONTRIBUTION A L’ALIMENTATION EN TENSION
DE MACHINES SYNCHRONES A AIMANTS
PERMANENTS A NOMBRE DE PHASES ELEVE :
FONCTIONNEMENT NORMAL ET DEGRADE



Soutenue publiquement, le 22 Juillet 2003, devant la commission d’examen


Membres du Jury :
M. ZAIM EL-Hadi Président
M. HAUTIER Jean-Paul Rapporteur
Mme PIEDRZAK-DAVID Maria
M. DAVAT Bernard
M. MEIBODY-TABAR Farid
M. PIERFEDERICI Serge
M. LETELLIER Paul Invité





Le travail exposé dans ce mémoire a été effectué au Groupe de Recherche en
Electrotechnique et en Electronique de Nancy (GREEN), unité de recherche associée au
CNRS (UMR 7037), au sein de l'Ecole Nationale Supérieure d'Electricité et de Mécanique
(ENSEM) de Nancy.


J’exprime mes sincères remerciements à M. El-Hadi ZAIM, professeur à l'Ecole
Polytechnique de l'Université de Nantes, pour avoir accepté de juger ce travail et pour
m’avoir fait l’honneur de présider le jury.

Je remercie Mme Marie PIEDRZAK-DAVID, professeur à l’ENSEEIHT, ainsi que M.
Jean-Paul ...

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Langue Français
Poids de l'ouvrage 3 Mo

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INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE Ecole Doctorale : IAEM (Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques) Département de Formation Doctorale : Electronique – Electrotechnique N° attribué par la bibliothèque /_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/ Thèse Présentée en vue d'obtenir le grade de Docteur de l’Institut National Polytechnique de Lorraine. Spécialité : Génie Electrique par Jean-Philippe MARTIN CONTRIBUTION A L’ALIMENTATION EN TENSION DE MACHINES SYNCHRONES A AIMANTS PERMANENTS A NOMBRE DE PHASES ELEVE : FONCTIONNEMENT NORMAL ET DEGRADE Soutenue publiquement, le 22 Juillet 2003, devant la commission d’examen Membres du Jury : M. ZAIM EL-Hadi Président M. HAUTIER Jean-Paul Rapporteur Mme PIEDRZAK-DAVID Maria M. DAVAT Bernard M. MEIBODY-TABAR Farid M. PIERFEDERICI Serge M. LETELLIER Paul Invité Le travail exposé dans ce mémoire a été effectué au Groupe de Recherche en Electrotechnique et en Electronique de Nancy (GREEN), unité de recherche associée au CNRS (UMR 7037), au sein de l'Ecole Nationale Supérieure d'Electricité et de Mécanique (ENSEM) de Nancy. J’exprime mes sincères remerciements à M. El-Hadi ZAIM, professeur à l'Ecole Polytechnique de l'Université de Nantes, pour avoir accepté de juger ce travail et pour m’avoir fait l’honneur de présider le jury. Je remercie Mme Marie PIEDRZAK-DAVID, professeur à l’ENSEEIHT, ainsi que M. Jean-Paul HAUTIER, professeur à l’ENSAM, d’avoir accepté de rapporter ce travail et pour l'intérêt qu'ils y ont porté. J’exprime mes vifs remerciements à M. Bernard DAVAT, professeur à l'ENSEM, d’avoir encadré et dirigé ces travaux, et pour la confiance qu’il m’a accordé tout au long de cette thèse. Je remercie chaleureusement M. Farid MAIBODY-TABAR, professeur à l'ENSEM, d’avoir co-encadré cette thèse, pour son enthousiasme et tous les précieux conseils qu'il a portés, des heures durant, sur ces travaux. Je remercie M. Serge PIERFEDERICI, Maître de conférence à l'ENSEM, pour sa disponibilité et ses conseils avisés pour l'étude du régulateur de courant. Je remercie M. Paul LETELLIER d’avoir accepté de faire partie de mon jury, et pour l'intérêt qu'il a manifesté pour ce travail, ainsi que la société TECHNICATOME, pour m’avoir transmis des résultats expérimentaux, permettant de valider expérimentalement certaines méthodes de filtrage de couple. Je remercie également M. Abderrezak REZZOUG pour m'avoir accueilli au sein du laboratoire. Je tiens également à exprimé tout ma gratitude au personnel du laboratoire pour leur gentillesse, leur aide, leur conseils et l'ambiance vécue tout au long de cette thèse et tout particulièrement les techniciens du laboratoire pour leurs précieux conseils techniques lors des réalisations pratiques liées à ce travail. Je remercie également, ma famille et mes amis, pour leur aide dans la réalisation de ce travail, leur assistance et leur immense soutien moral et affectif pendant toutes ces années. SOMMAIRE Sommaire ..................................................................................................................................1 Introduction Générale..............................................................................................................5 Chapitre 1..................................................................................................................................9 Segmentation de Puissance de Chaînes de Conversion d’Energie. Présentation du Système Etudié..........................................................................................................................9 1. Introduction.............................................................................................................................. 9 2. Méthodes structurelles de segmentation de puissance........................................................ 10 2.1. Modification de la structure du convertisseur statique.........................................10 2.2. Augmentation du nombre d’enroulements de la machine....................................12 3. Ondulations de couple en fonction du nombre de phases................................................... 14 4. Présentation du système étudié ............................................................................................. 15 5. Structure de contrôle de courant et forme d’onde optimale en mode normal.................. 16 5.1. Contrôle des différents convertisseurs..................................................................16 5.2. Forme d’onde optimale de courant.......................................................................17 5.2.1. Cas de l’alimentation par onduleurs monophasés ............................................18 5.2.2. entation par un onduleur à q-bras................................................19 6. Représentation des Systèmes Multi-machines Multi-convertisseurs................................. 20 6.1. Description des Systèmes Multi-machines Multi-convertisseurs.........................20 6.1.1. Système mono-machine mono-convertisseur...................................................20 6.1.2. Système Multi-machine Multi-convertisseur21 6.1.3. Analyse et simplifications ................................................................................22 7. Structures de Commande des SMM..................................................................................... 22 7.1. Structure de commande d’un système mono-machine mono-convertisseur ........22 7.2. Structure de commande d’un système multi-machine multi-convertisseur .........24 7.3. Présentation du système étudié avec le formalisme SMM...................................25 8. Conclusion............................................................................................................................... 25 Chapitre 2...........27 Commande Globale d’une MSAP Polyphasée Alimentée par Onduleurs Monophasés..27 1. Introduction............................................................................................................................ 27 2. Représentation vectorielle d’une machine q phases............................................................ 27 3. Représentation SMM du système pour une machine à q phases ....................................... 30 4. Commande en tension d’une MSAP triphasée .................................................................... 31 4.1. Présentation de la commande de base utilisée......................................................31 4.1.1. Présentation des régulateurs utilisés.................................................................31 4.1.2. Mode d’alimentation initial ..............................................................................31 4.2. Analyse des résultats obtenus avec la commande MLI intersective ....................32 4.2.1. Commande globale par vecteurs tension..........................................................33 4.2.2. Choix d’une séquence de commutation............................................................35 1 4.2.3. Résultats obtenus avec une commande globale................................................37 4.2.4. Utilisation des vecteurs des autres familles pour le contrôle des courants.......38 5. Généralisation de la commande globale pour une machine pentaphasée ......................... 39 5.1. Analyse des formes d’ondes obtenues avec la commande initiale.......................39 5.2. Commande globale par vecteur tension ...............................................................41 5.2.1. Choix d’une séquence de commutation............................................................42 5.2.2. Résultats obtenus avec la commande globale proposée...................................44 6. Conclusion............................................................................................................................... 46 Chapitre 3...........47 Etude de l’Alimentation en Mode dégradé des MSAP. Filtrage des Ondulations de Couple......................................................................................................................................47 1. Introduction............................................................................................................................ 47 2. Etude des MSAP à q phases alimentées par des onduleurs de tension monophasés en mode dégradé............... 48 2.1. Présentation..........................................................................................................48 2.2. Taux d’ondulation de couple en fonction de la position et du nombre de phases supprimées........................................................................................................................50 2.3. Méthodes de suppression des ondulations de couple en mode dégradé basées sur la modification des courants dans les phases actives .......................................................52 2.3.1. Filtrage du couple lors de la suppression d’une phase .....................................52 2.3.2. rs deion de plusieurs phases..........................64 2.4. Conclusion............................................................................................................72 3. Etude du fonctionnement en mode dégradé des MSAP à q phases montées en étoile alimentées par des onduleurs de tension à q bras........................................................................ 73 3.1. Présentation..........................................................................................................73 3.2. Méthodes de suppression des ondulations de couple en mode dégradé basées sur la modification des courants dans les phases actives .......................................................74 3.2.1. Filtrage du couple lors de la suppression d’une phase .....................................75 3.2.2. Filtrage de couple lors deion de plus d’une phase.........................81 3.3. Conclusion............................................................................................................83 4. Conclusion sur le fonctionnement en régime dégradé ........................................................ 83 Chapitre 4................................................................................................................................85 Régulateur de Courant à Fréquence de Commutation Fixe et à Dynamique Elevée .....85 1. Introduction............................................................................................................................ 85 2. Principe du régulateur de courant........................................................................................ 87 3. Etude de la stabilité du système ............................................................................................ 88 3.1. Etude de stabilité sur la surface de glissement .....................................................88 3.2. Stabilité au voisinage de la surface de glissement................................................88 3.2.1. Fonctionnement en simple hachage..................................................................89 3.2.2. ent en double hachage .................................................................91 4. Modèle moyen du système autour d’un point de fonctionnement ..................................... 93 4.1. Modèle moyen pour un régulateur à faible bande passante .................................93 4.1.1. Elaboration du modèle moyen..........................................................................93 2 4.1.2. Domaine de stabilité.........................................................................................95 4.2. Modèle moyen pour un régulateur à large bande passante...................................96 4.2.1. Elaboration du modèle moyen..........................................................................96 4.2.2. Etude de la stabilité ..........................................................................................98 4.2.3. Comparaison des deux modèles .......................................................................98 5. Etude du comportement instantané de la boucle de courant ........................................... 100 5.1. Introduction........................................................................................................100 5.2. Cycles limites : définition et propriétés..............................................................101 5.3. Mise en forme mathématique .............................................................................101 5.4. Application de Poincaré.....................................................................................103 5.5. Application au système étudié............................................................................104 5.6. Validation expérimentale....................................................................................105 6. Etude des cycles limites........................................................................................................ 106 6.1. Diagramme de bifurcation..................................................................................106 6.2. Fonction Forme..................................................................................................108 op7. Stabilité de l’application H ............................................................................................... 108 7.1. Expression de la matrice de Jacobi.....................................................................108 7.2. Accélération du processus numérique d’obtention du régime permanent..........109 7.3. Etude des multiplieurs de Floquet ......................................................................110 8. Etude des propriétés de robustesse du régulateur de courant ......................................... 111 9. Conclusion............................................................................................................................. 112 Conclusion Générale ............................................................................................................115 Références bibliographiques ...............................................................................................117 3 4 Introduction générale INTRODUCTION GENERALE Grâce aux nombreuses avancées technologiques, aussi bien dans le domaine des semi- conducteurs de puissance, de la conception des machines électriques, que dans les méthodes de traitement de l’énergie électrique, les applications de moyennes et fortes puissances à vitesse variable sont de plus en plus réalisées à base d’ensembles convertisseurs statiques - machines électriques. Ceci est d’autant plus vrai pour la propulsion de systèmes embarqués comme la propulsion navale. Pour ce type d’application, de par ses propriétés intrinsèques de puissance massique élevée, de pertes rotoriques faibles et d’inertie réduite, les machines synchrones à aimants permanents sont parfaitement adaptées. Cependant avec les structures classiques de convertisseurs statiques et de machines de forte puissance, la puissance transmise entre la source électrique et le récepteur mécanique ne peut être traitée convenablement. Utilisés depuis de nombreuses années, les commutateurs de courant associés à des machines double-étoile permettent d’une part de réduire la puissance transmise par chaque convertisseur et, d’autre part, de réduire les ondulations de couple de la machine. Malgré cette amélioration, les ondulations de couple restent importantes, notamment pour des faibles vitesses de rotation. L’apparition de composants semi-conducteurs de type GTO, commandable aussi bien à l’amorçage qu’au blocage, a permis l’alimentation de machines électriques de forte puissance à l’aide d’onduleurs de tension. Cependant, la fréquence de commutation de ce type de composant est fortement réduite. Cette fréquence de commutation ne permet donc pas d’imposer correctement les formes des courants dans les enroulements des machines électri- ques, entraînant ainsi d’importantes ondulations de couple. Afin d’utiliser des composants de type IGBT avec des calibres en courant plus faible, autorisant une fréquence de commutation plus élevée, il est nécessaire d’utiliser des chaînes de conversion d’énergie à structure segmentée. L’autre but recherché, par cette segmentation de puissance au niveau d’une chaîne de conversion d’énergie, est la possibilité d’utiliser des convertisseurs modulaires sur une large gamme de puissance et de fonctionner en mode dégradé avec une puissance réduite. Dans notre travail, nous nous intéressons à l’étude des MSAP à q phases alimentées soit par q onduleurs monophasés de tension soit par un onduleur de tension à q bras. La structure segmentée de ces systèmes conduit à un degré de redondance d’autant plus élevé que le nombre de phases de la machine est grand. En effet, même si plusieurs phases de ce type de machines ne sont plus alimentées, la valeur moyenne du couple développé reste non-nulle. Cependant, la structure de la commande des systèmes étudiés doit d’une part prendre en compte les divers couplages générés par l’application de la segmentation de puissance dans la chaîne de conversion d’énergie, et d’autre part parvenir à s’adapter en mode dégradé de sorte que le taux d’ondulation du couple reste acceptable. Pour minimiser le taux d’ondulation de couple en mode normal ou dégradé, on doit pouvoir imposer les formes optimales des courants des phases. Pour cela, il faut assurer la poursuite de ces formales par des régulateurs robustes de courant à large bande passante. Un formalisme, permettant de représenter les chaînes de conversion électromécanique d’énergie et d’analyser les interactions entre ses différents éléments physiques, a été mise au point par les chercheurs de plusieurs laboratoires participant au projet « Systèmes Multi- machine Multiconvertisseur » (SMM) de l’atelier commande du GDR SDSE, Sûreté et Disponibilité des Systèmes Electrotechniques. Ce formalisme permet notamment de mettre en 5 Introduction générale évidence les couplages générés lorsque la puissance est segmentée dans une chaîne de conversion électromécanique d’énergie : couplages électriques, magnétiques et mécaniques. La deuxième étape de ces travaux, concernant la commande des systèmes Multimachine Multiconvertisseurs avec la prise en compte de différents couplages, fait actuellement l’objet 2de travaux communs au sein du GDR ME MS, Maîtrise de l’Energie Electrique : du Matériau au Système. Les différentes structures des systèmes étudiés dans le présent travail sont analysées à l’aide de la représentation SMM. Une MSAP à q phases est considérée équivalente à q machines monophasées couplées magnétiquement. Lorsque cette machine est alimentée soit par q onduleurs monophasés soit un onduleur à q bras, la commande indépendante des courants des phases conduit à un taux d’ondulation de courant d’autant plus important que l’inductance de fuite de la machine est plus faible. Dans le cadre des travaux communs menés au sein du GDR, nous avons montré qu’une machine à q phases peut être considérée équivalente à une machine diphasée principale, contribuant à la majeure partie du couple généré par la machine, associée à un certain nombre de machines dites secondaires dont les inductances sont proches de l’inductance de fuite de la machine. A l’aide d’une approche globale de commande des courants des phases, il est possible de sélectionner les seuls vecteurs tension qui permettent d’imposer les courants désirés dans la machine fictive principale et d’exciter aussi faiblement que possible les machines secondaires. Cette approche globale de commande minimise en fait l’influence du couplage magnétique entre phases au prix de l’introduction d’un couplage électrique, plus facilement gérable, au niveau de l’alimentation des machines principales et secondaires. La présentation de notre travail dans ce mémoire est organisée en quatre chapitres. Dans le premier chapitre sont présentées différentes méthodes usuelles permettant de segmenter la puissance transmise entre la source électrique et la charge mécanique. Ces différentes méthodes peuvent être classées en deux catégories. Une première regroupe les méthodes modifiant uniquement la structure du convertisseur statique, sans modifier la struc- ture de la machine, alors que la seconde regroupe les méthodes permettant d’augmenter le nombre d’enroulements de la machine électrique et donc le nombre des convertisseurs statiques. Le système étudié est ensuite présenté. Il est constitué de Machines Synchrones à Aimants Permanents (MSAP) à q phases, alimentées par des onduleurs à structure tension. Ces convertisseurs sont constitués soit d’un onduleur à q bras, soit de q onduleurs mono- phasés à pont en H. Enfin, la forme optimale du courant permettant d’annuler les ondulations de couple tout en minimisant le rapport entre les pertes Joule et le couple est définie pour une MSAP à q phases à fem quelconque. Dans le chapitre 2, une méthode de contrôle global des courants de phase est présentée. Grâce à la transformation de Concordia généralisée, il est possible de montrer qu’une machine ( )à q phases couplées magnétiquement peut être considérée comme q+1 2 machines électri- ques fictives monophasées et diphasées indépendantes. Une commande globale permettant de réduire les ondulations de courant et donc les pertes dans la machine est établie pour une machine triphasée. Puis, avant de commenter la généralisation de cette méthode pour des machines à q phases, les problèmes générés par un nombre de phases supérieur à 3 sont présentés en appliquant cette méthode à une MSAP pentaphasée. La segmentation de puissance effectuée par l’accroissement du nombre d’enroulements d’une machine électrique augmente le nombre de semi-conducteurs de puissance. Ceci a donc pour conséquence de diminuer la fiabilité de l’ensemble du système. Il est donc nécessaire de déterminer des stratégies de fonctionnement lorsqu’une ou plusieurs phases ne sont plus 6