Modélisation du défaut d'excentration dans une machine asynchrone : application au diagnostic et à la commande de deux machines spécifiques

Rijaniaina Njaksasoa Andriamalala

Description

Sous la direction de François-Michel Sargos
Thèse soutenue le 02 juillet 2009: Nancy 1
Cette thèse étudie le problème d'excentration rotorique et le défaut d'alimentation dans une Machine Asynchrone Double-Etoile. En outre, elle analyse la commande de deux machines asynchrones connectées en série ainsi que la détection de défaut d'onduleur dans ce cadre de connexion. Elle propose également une reconfiguration de commande permettant de tolérer le default détecté. Le travail débute par des méthodes de modélisation d'une machine asynchrone polyphasée excentrée. La première méthode prend en considération les harmoniques de bobinage mais néglige les effets d'encoches. La deuxième se limite au premier harmonique de bobinage mais tient compte des harmoniques d'encoches. A partir de ces deux modèles, nous avons pu caractériser analytiquement les signatures d'excentration. En simulation, les deux modèles donnent les mêmes spectres à basse fréquence. Toutefois, le deuxième modèle offre des raies supplémentaires à haute fréquence. Ces raies résultent de la combinaison de l'excentration et des harmoniques d'encoches. Nous entamons ensuite la détection de défauts d'alimentation ou d'excentration lorsque la machine double-étoile est alimentée par un onduleur. Pour éliminer le défaut de court-circuit ou le défaut d'ouverture de circuit, nous proposons à la fois une modification de la structure du convertisseur et une adaptation de l'algorithme de commande. Les résultats de simulation sont prometteurs. Les courants retrouvent le régime équilibré et la même amplitude que celle d'avant le défaut. La vitesse se stabilise à nouveau après une courte perturbation assez forte. En ce qui concerne le problème d'excentration, les prédictions analytiques se justifient même en cas d'alimentation par onduleur. Dans le cas d’une alimentation par commande vectorielle, les variables de commande peuvent également servir d'outils de diagnostic d'excentration. Enfin, nous abordons la commande découplée d'une machine hexaphasée et d’une machine triphasée connectées en série. Le découplage de la commande de deux moteurs est tout d’abord examiné analytiquement. Des tests de simulation sont ensuite effectués pour confirmer l’efficacité du découplage. Nous avons montré par simulation qu'il est aussi possible d'éliminer les perturbations dues à un défaut d'un interrupteur de puissance grâce à une structure du convertisseur et à une adaptation de l'algorithme de commande. La plupart des prédictions par simulation on été justifiées expérimentalement.
-Machine asynchrone à double étoiles
-Défaut d'excentration
This thesis investigates various fault and detection issues in a Dual-Stator Winding Induction Machine Drive including rotor eccentricity problems and inverter switch faults. In addition, the control of six-phase series-connected two-motor drives and the related fault detection and fault tolerant strategy issues are studied as well. The work starts with new modeling methods for an eccentric multiphase induction machine. The first proposed method considers only the winding harmonics and neglects the slotting effects. Then, a second method is proposed, considering the first winding harmonic and the slotting ones. From both modeling techniques, eccentricity signatures are extracted. Simulation results show that both modeling techniques provide identical spectra at low frequency; however, the second technique gives additional high frequency sidebands. These sidebands are the results of the interaction between the eccentricity and the slot harmonics. Eccentricity and inverter faults in a Dual-Stator Winding Induction Machine Drive are subsequently investigated. The inverter topology and the control algorithm are reconfigured to deal with short-circuit and open circuit faults on the inverter side so that the stator currents become balanced again and reach their pre-fault magnitude. Simulation results show promising results. The speed is stabilized after a short disturbance due to the fault. Besides, analytical method has been successfully used to predict eccentricity fault, although the machine was inverter fed. Control variables have been effectively used as diagnosis tools for eccentricity fault in a vector controlled machine. Additionally, decoupled control of six-phase and three-phase machines connected in series has been investigated. Firstly, decoupling control using analytical method is predicted. Several simulations are then carried out to confirm the decoupling effectiveness. For this special drive, elimination of the disturbances due to a switch fault is also possible thanks to an appropriate converter topology and adaptation of the control algorithm. Most of simulation predictions are confirmed by experimental results.
Source: http://www.theses.fr/2009NAN10064/document

Informations

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• Nombre de lectures: 462
• Langue: Français
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Extrait

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Nancy-Université
) Université
Henn POlncare

FACULTE DES SCIENCES & TECHNIQUES
U.F.R Sciences & Techniques: S.T.M.I.A
Ecole Doctorale: Informatique Automatique Electrotechnique Electronique Mathématiques
Département de Formation Doctorale: Electrotechnique Electronique
Thèse
présentée en vue de l’obtention du diplôme de
Doctorat de l’Université Henri Poincaré, Nancy I
Spécialité Génie Electrique
par
Rijaniaina Njakasoa ANDRIAMALALA
DEA Génie Électrique INPL-Nancy
DESS SUMASET UHP-Nancy I
MODÉLISATION DU DÉFAUT D’EXCENTRATION DANS UNE MACHINE
ASYNCHRONE. APPLICATION AU DIAGNOSTIC ET A LA COMMANDE
DE DEUX MACHINES SPÉCIFIQUES.
Soutenance publique le 02 Juillet 2009 devant le jury composé de :
Président: M. Jean-Paul LOUIS Professeur à École Normale Supérieure de Cachan
Rapporteurs: M. Guy CLERC Professeur à l’Université Claude Bernard Lyon I
M. Claude MARCHAND Professeur à l’Université Paris-Sud
Examinateurs: M. Maurice FADEL Professeur à ENSEEIHT, INP-Toulouse
M. François-Michel SARGOS Professeur à l’ENSEM, INP-Lorraine
M. Hubert RAZIK Professeur à l’Université Claude Bernard Lyon I

Groupe de Recherche en Electrotechnique et Electronique de Nancy
Faculté des Sciences et Techniques - B.P. 239 - 54506 Vandœuvre-lès-Nancyi
Table des matières
AVANT PROPOS v
INTRODUCTION GENERALE ix
I MODÉLISATION D’UNE MACHINE ASYNCHRONE POLYPHASÉE EXCENTRÉE. 1
I.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
I.2. Bobinage de la machine asynchrone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
I.2.1. Fonction de bobinage de l’enroulement statorique . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
I.2.2. Fonction de bobinage de l’enroulement rotorique . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
I.2.3. Fonction d’ampère-tours des enroulements statoriques . . . . . . . . . . . . . . 6
I.2.4. Fonction d’ampère-tours des enroulements rotoriques . . . . . . . . . . . . . . . 7
I.3. Inductances d’une machine asynchrone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
I.3.1. Hypothèses de calcul d’inductances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
I.3.2. Inductances d’une machine saine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
I.3.2.1. Expression générale du champ magnétique d’une machine symétrique 8
I.3.2.2. Inductances statoriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
I.3.2.3. Inductances mutuelles entre le stator et le rotor . . . . . . . . . . . . . 10
I.3.2.4. Inductances rotoriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
I.3.2.5. Analyse par simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
I.3.3. Inductances d’une machine excentrée non encochée . . . . . . . . . . . . . . . . 14
I.3.3.1. Description introductive d’une excentration du rotor . . . . . . . . . . 14
I.3.3.2. Expression générale du champ magnétique en cas d’excentration . . . 16
I.3.3.3. Formes générales des inductances d’une machine excentrée . . . . . . 18
I.3.3.4. Remarque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
I.3.3.5. Excentration statique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
I.3.3.6. Excentration dynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
I.3.3.7. Excentration mixte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
I.4. Prise en compte des effets d’encoches dans les inductances d’une machine excentrée . . 52ii
I.4.1. Préliminaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
I.4.2. Variation de la fonction d’entrefer due aux encoches statoriques . . . . . . . . . 53
I.4.3. Variation de la fonction d’entrefer due aux encoches rotoriques . . . . . . . . . . 55
I.4.4. Expression de la fonction d’entrefer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
I.4.5. Fonction perméance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
I.4.6. Inductances statoriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
I.4.7. Inductances mutuelles entre le stator et le rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
I.4.8. Inductances rotoriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
I.4.9. Caractérisation du deuxième groupe de signatures de défaut dans le courant sta-
torique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
I.4.10. Caractérisation du deuxième groupe de signatures de défaut dans le courant ro-
torique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
I.4.11. Remarques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
I.4.12. Analyse par simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
I.5. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
II DIAGNOSTIC ET COMMANDE D’UNE MACHINE DOUBLE-ÉTOILE PRÉSENTANT
UN DÉFAUT D’ALIMENTATION OU D’EXCENTRATION. 71
II.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
II.1.0.1. Premier modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
II.1.0.2. Deuxième modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
II.1.0.3. Rappel du principe de la commande vectorielle . . . . . . . . . . . . . 85
II.1.1. Commande par orientation indirecte du flux rotorique . . . . . . . . . . . . . . . 86
II.1.1.1. Premier algorithme de commande : utilisation de la transformation de
Park hexaphasée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
II.1.1.2. Deuxième algorithme de commande : utilisation de la transformation
de Park triphasée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
II.2. Etude de quelques stratégies de commande d’une machine double-étoile en cas de défaut
d’alimentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
II.2.1. Stratégie de détection de défaut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
II.2.2. Isolement du bras défaillant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
II.2.3. Première structure de convertisseur-commande tolérant le défaut . . . . . . . . . 97
II.2.3.1. Reconfiguration de la commande et du circuit de puissance . . . . . . 98
II.2.3.2. Détection et élimination d’un défaut de court-circuit . . . . . . . . . . 100
II.2.3.3. Détection et élimination d’un défaut d’ouverture de circuit . . . . . . . 102
II.2.4. Deuxième structure de convertisseur-commande tolérant le défaut . . . . . . . . 104iii
II.2.4.1. Première possibilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
II.2.4.2. Deuxième possibilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
II.2.4.3. Troisième possibilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
II.2.5. Troisième structure de convertisseur-commande tolérant le défaut . . . . . . . . 111
II.3. Diagnostic d’une machine double-étoile alimentée par un onduleur et présentant un dé-
faut d’excentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
II.3.1. Diagnostic d’une machine double-étoile alimentée en commande scalaire . . . . 113
II.3.2. Diagnostic d’excentration pour une machine double-étoile alimentée en com-
mande vectorielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
II.3.2.1. Analyse du courant statorique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
II.3.2.2. Analyse des courants de Park . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
II.3.2.3. Analyse des tensions de référence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
II.4. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
III COMMANDE VECTORIELLE DES MACHINES EN SERIE. APPLICATION A LA DE-
TECTION DE DEFAUT 125
III.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
III.2. Connectivité d