République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université A.MIRA-BEJAIA Faculté de Technologie Département de Génie Electrique Laboratoire de Technologie Industrielle et de l'Information (LTII) SOUTENANCE DE THÈSE Présentée par  Ahmed AZIB Pour l’obtention du grade de   DOCTEUR EN SCIENCES Filière : Electrotechnique Option : Systèmes Electro-Energétiques Thème Etude et Commande des Machines Polyphasées Alimentées par Convertisseurs Matriciels en Mode Normal et Dégradé A. AZIB - Soutenance Doctorat sous la direction du Professeur T. REKIOUA 11/11/2018

Introduction, Contexte (pourquoi machines polyphasées ?) Machine Triphasé Machine N - phases Forte puissance Fractionnement de la puissance Sureté de fonctionnement Fonctionnement en mode dégradé Ondulation du couple autres moteurs Qualité du couple MAS 90% Automobile Traction ferroviaire Propulsion navale Génération de l’électricité

Introduction Problématique Choix de la MASDE Segmentation de la puissance suffisante Un ensemble convertisseur machine pas trop compliqué Problématique L’ouverture d’une ou plusieurs phases d’alimentation conduit à : De fortes Ondulations de couple La marche du système n’est plus satisfaisante Détérioration du système d’entraînement. Objectif Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans le cadre de la recherche de nouvelles stratégies de commande garantissant la poursuite du fonctionnement dans les conditions les plus satisfaisantes possibles en mode sain d'alimentation et lors de la perte d'une ou plusieurs phases d'alimentation d’une MASDE.

Plan de la présentation Introduction Partie 1 (Contrôle en mode sain d’alimentation) Généralités sur l’alimentation et méthodes de contrôle vectoriel pour une MASDE Principe de la commande DTC-SVM appliquée à la MASDE Validation expérimentale Partie 2 (Contrôle en mode dégradé d’alimentation) Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la commande DTC en mode dégradé Conclusion et perspectives

Introduction Algorithmes de Electronique de Contrôle puissance Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion MASDE Electronique de puissance Algorithmes de Contrôle Puissance Signaux de commande Grandeurs de mesures de références

Alimentation de la MASDE Electronique de Puissance Introduction Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion Convertisseurs conventionnels AC/DC/AC Convertisseurs alimentant La MASDE Convertisseurs Matriciels Directs Convertisseurs Matriciels Indirects

Alimentation de la MASDE Convertisseurs Matriciels Indirects Electronique de Puissance Introduction Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion Topologies des Convertisseurs matriciels indirects : Schéma de principe du convertisseur matriciel indirect-MASDE Convertisseur matriciel très creux Convertisseur matriciel ultra creux Convertisseur matriciel creux

Alimentation de la MASDE Convertisseurs Matriciels Indirects Electronique de Puissance Introduction Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion Topologies des Convertisseurs matriciels indirects : Tableau :Résumé de différentes topologies pour une MASDE Topologies Directe (CM) Indirecte (CMI) (CMC) (CMTC) (CMUC) (CMEI) Nombre d'IGBT 36 24 21 18 15 20 Nombre de Diode Nombre d'Alimentation 14 11 Commutation Difficile Facile 4- quadrants Oui Non Rapport de transfert 0.867 FP limitation

Convertisseurs Matriciels Indirects Alimentation de la MASDE Convertisseurs Matriciels Indirects Electronique de Puissance Introduction Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion Avantages des Convertisseurs matriciels indirects : Les formes d’ondes des courants d’entrée presque sinusoïdales ; Le convertisseur peut fournir un facteur de puissance unitaire à l’entrée Ne nécessite aucun élément de stockage intermédiaire, il s’apprête bien à une réalisation compacte ; Possède le même rapport de transfert de tensions que le CM ; Le convertisseur est complètement exempt de problèmes de commutation liés aux convertisseurs matriciels directs ; Un rendement meilleur que le convertisseur matriciel direct

Convertisseurs Matriciels Indirects Alimentation de la MASDE Convertisseurs Matriciels Indirects Electronique de Puissance Introduction Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion Modélisation du convertisseur matriciel indirect: Principe de fonctionnement Etage Onduleur 1 Etage redresseur Etage Onduleur 2 Figure. Modèle du convertisseur matriciel indirect pour la modulation vectorielle Les matrices de transfert

Convertisseurs Matriciels Indirects Alimentation de la MASDE Stratégie de modulation La modulation vectorielle (SVM) Convertisseurs Matriciels Indirects Electronique de Puissance Introduction Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion β β I2(cb) V3(010) V2(110) I3(ba) I1(ac) V0(000) V4(011) V1(100) α α I6(ab) V7(111) I4(ca) V5(001) V6(101) I5(bc) β α I1(ab) I2(ac) β α V1(100) V2(110) Avec

Convertisseurs Matriciels Indirects Alimentation de la MASDE Stratégie de modulation La modulation vectorielle (SVM) Convertisseurs Matriciels Indirects Electronique de Puissance Introduction Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion β β I2(cb) V2(110) I1(ac) V0(000) α V1(100) α Redresseur Onduleur 1 β V7(111) V1(100) Tsw α I1 I2 Redresseur tr1 V6(101) V0 V1 V2 V0 V0 V2 V1 V0 Onduleur 1 Onduleur 2 V7 V6 V1 V7 V7 V1 V6 V7 Onduleur 2 ti1 ti2 ti3 ti1 ti4 ti5 ti6 ti4

Convertisseurs Matriciels Indirects Alimentation de la MASDE Résultats de simulation du CMI: MASDE Convertisseurs Matriciels Indirects Electronique de Puissance Introduction Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion

Méthodes vectorielles pour la MASDE Introduction Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion MASDE Electronique de puissance Algorithmes de Contrôle Puissance Signaux de commande Grandeurs de mesures de références

Méthodes vectorielles pour la MASDE COMMANDE VECTORIELLE Principe de la commande vectorielle pour une MASDE Algorithmes de Contrôle Introduction Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion Le flux et le couple d'un MASDE peuvent être contrôlés indépendamment. La technique d'orientation du flux du rotor est la plus utilisée. Les performances de ce type de réglage sont affectées par la variation d’un ou plusieurs paramètres de la machine.

Méthodes vectorielles pour la MASDE COMMANDE DIRECTE DU COUPLE Principe de fonctionnement Algorithmes de Contrôle Introduction Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion Les expressions vectorielles de la machine dans le référentiel lié au stator sont : A partir des expressions des flux, le courant du rotor s’écrit : Avec : Les équations deviennent : Ces relations montrent que : Il est possible de contrôler le vecteur Фs à partir du vecteur Vs Le flux Фr suit la variation de Фs avec une constante de temps σ.τr Le couple électromagnétique est proportionnel au produit vectoriel des deux flux Le couple électromagnétique dépend de l’amplitude des deux vecteurs et de leur position relative

Méthodes vectorielles pour la MASDE COMMANDE DIRECTE DU COUPLE Choix du vecteur de tension Vs Algorithmes de Contrôle Introduction Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion Le plan complexe α-β fixe au stator est subdivisé en six secteurs Si, i = 1…6 tel que : Règles de contrôle de flux et de couple Pour augmenter le flux et le couple : Appliquer le vecteur actif de tension Vi+1 Pour augmenter le couple et réduire le flux : Appliquer le vecteur actif de tension Vi+2 Les vecteurs nuls V0 et V7: Utiliser pour réduire le couple et bloquent le flux. Pour diminuer le couple et le flux en mode frein : Appliquer le vecteur actif de tension Vi-2 Pour diminuer le couple et augmenter le flux en mode frein : Appliquer le vecteur actif de tension Vi-1

Méthodes vectorielles pour la MASDE COMMANDE DIRECTE DU COUPLE Principe de la DTC pour une MASDE Algorithmes de Contrôle Introduction Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion Mesure et transformation des Courants et tensions Estimation du flux et de couple Schéma de principe de la commande directe du couple d'un MASDE

Méthodes vectorielles pour la MASDE COMMANDE DIRECTE DU COUPLE Principe de la DTC pour une MASDE Algorithmes de Contrôle Introduction Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion Régulateur de flux : Lorsque l’erreur est positive : Lorsque l’erreur est négative Régulateur de couple Figure 3.14. Schéma de principe de la commande directe du couple d'un MASDE : Lorsque l’erreur est positive : Lorsque l’erreur est nulle : Lorsque l’erreur est négative

Méthodes vectorielles pour la MASDE Algorithmes de Contrôle COMMANDE DIRECTE DU COUPLE Résultats de simulation Paramètres de simulation : 220V, 50Hz, Фsref = 1 Wb, Cemref = 7 N.m et Introduction Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion

Méthodes vectorielles pour la MASDE COMMANDE DIRECTE DU COUPLE Résultats de simulation Paramètres de simulation : 220V, 50Hz, Фsref = 1 Wb, Cemref = 7 N.m et Algorithmes de Contrôle Introduction Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion Conclusion Les excellentes performances dynamiques et la simplicité de structure sont les principales caractéristiques de la commande directe du couple classique, mais son inconvénient est le fonctionnement à fréquence de commutation variable.

Méthodes vectorielles pour la MASDE COMMANDE DTC-SVM Principe de fonctionnement Algorithmes de Contrôle Introduction Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion Mesure et transformation des Courants et tensions Estimation du flux et de couple Schéma de principe de la DTC-SVM d'un MASDE

Méthodes vectorielles pour la MASDE COMMANDE DTC-SVM Principe de fonctionnement Algorithmes de Contrôle Introduction Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion Régulateur PI Kp : Forcer la grandeur à sa consigne Ki : Eliminer l’erreur statique Blocs SVM

Méthodes vectorielles pour la MASDE COMMANDE DTC-SVM Résultats de simulation Paramètres de simulation : 220V, 50Hz, Фsref = 1 Wb, Cemref = 7 N.m Algorithmes de Contrôle Introduction Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion

Méthodes vectorielles pour la MASDE COMMANDE DTC-SVM Résultats de simulation Paramètres de simulation : 220V, 50Hz, Фsref = 1 Wb, Cemref = 7 N.m Algorithmes de Contrôle Introduction Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion Conclusion La commande DTC-SVM contrôle directement le couple et le flux, elle profite des avantages du principe de la DTC « bonne dynamique, pas de capteur de vitesse pour notre cas » et des avantages de la modulation vectorielle (SVM) « taux d’harmonique faible, et la fréquence de commutation constante »

Méthodes vectorielles pour la MASDE COMMANDE DTC-SVM Validation expérimentale Algorithmes de Contrôle Introduction Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion Banc d’essai expérimental

Méthodes vectorielles pour la MASDE COMMANDE DTC-SVM Résultats expérimentaux Algorithmes de Contrôle Introduction Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion

Méthodes vectorielles pour la MASDE COMMANDE DTC-SVM Résultats expérimentaux Algorithmes de Contrôle Introduction Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion

Mode dégradé pour la MASDE Modèle de la MASDE en mode dégradé Introduction Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion MASDE Neutre relié Moteur hexa phase

Mode dégradé pour la MASDE Modèle de la MASDE en mode dégradé Equations électriques Introduction Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion Avec et Découplage du système, Matrice de transformation On pose Alors : Avec D’ou Le reste de la matrice :

Mode dégradé pour la MASDE Modèle de la MASDE en mode dégradé Equations électriques Introduction Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion Lors de la déconnection de la phase Sa1, la matrice est donnée en posant : Modèle de la machine dans l’espace (α,β) Modèle de la machine dans l’espace (z) Equation mécanique

Les inductances de la MASDE avec phase(s) ouverte(s) Mode dégradé pour la MASDE Les inductances de la MASDE avec phase(s) ouverte(s) Introduction Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion

Mode dégradé pour la MASDE Stratégie de commande: Méthode(1) : Une phase déconnectée, on modifié le courant dans une phase encore connectée: Introduction Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion Méthode(2) : Une phase déconnectée, on modifié le courant dans chaque phase encore connectée:

Mode dégradé pour la MASDE Résultats de simulation : Une phase Sa1 de l’alimentation est déconnectée Introduction Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion Application de la méthode(1) :

Mode dégradé pour la MASDE Résultats de simulation : Deux phases Sa1 et Sb2 de l’alimentation sont déconnectées Introduction Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion Application de la méthode(2) :

DTC en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Introduction Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion Mesure et transformation des Courants et tensions Estimation du flux et de couple Structure du DTC en mode dégradé avec ouverte

DTC en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Introduction Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion Régulateur de flux : Lorsque l’erreur est positive : Lorsque l’erreur est négative Régulateur de couple : Lorsque l’erreur est positive : Lorsque l’erreur est nulle : Lorsque l’erreur est négative Structure du DTC en mode dégradé avec ouverte

DTC en mode dégradé Résultats de simulation : Paramètres de simulation : 220V, 50Hz, Фsref = 1 Wb, Cemref = 7 N.m Une phase Sa1 de l’alimentation est déconnectée Introduction Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion

DTC en mode dégradé Résultats de simulation : Paramètres de simulation : 220V, 50Hz, Фsref = 1 Wb, Cemref = 7 N.m Deux phases Sa1 et Sb2 de l’alimentation sont déconnectées Introduction Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion

DTC en mode dégradé Résultats de simulation : Paramètres de simulation : 220V, 50Hz, Фsref = 1 Wb, Cemref = 7 N.m Trois phases Sa1, Sb1 et Sc1 de l’alimentation sont déconnectées Introduction Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion

DTC en mode dégradé VALIDATION EXPERIMENTALE : Une phases Sa1 de l’alimentation est déconnectée Introduction Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion (5N.m/div, 168tr/min/div) (5 N.m/div, 5 A/div)

DTC en mode dégradé VALIDATION EXPERIMENTALE : Deux phases Sa1 et Sb2 de l’alimentation sont déconnectées Introduction Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion (5 N.m/div, 168 tr/min/div) (5 N.m/div, 5 A/div)

DTC en mode dégradé VALIDATION EXPERIMENTALE : (5 N.m/div, 10A/div) Trois phases Sa1, Sb1 et Sc1 de l’alimentation sont déconnectées Introduction Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion (5 N.m/div, 10A/div) (5 N.m/div, 84 tr/min/div)

Conclusion 1. Bilan Partie 1 (Contrôle en mode sain d’alimentation) Association de la DTC classique à une SVM permet : Combiner les avantages de deux commande DTC et FOC (Simplicité d’implémentation, réponse rapide du couple, fonctionnement à fréquence constante de commutation, …etc. Eliminer leurs inconvénients consécutifs ( fréquence variable de commutation, variation paramétrique de la machine, …etc. Validation numérique et expérimentale : Résultats très satisfaisants Partie 2 (Contrôle en mode dégradé d’alimentation) Adaptation de la DTC au fonctionnement dégradé permet : Améliorer la fiabilité en offrant la possibilité de fonctionner correctement même avec une ou plusieurs phases ouvertes. Ne nécessite pas beaucoup de calculs ( Couple à contrôler) Validation numérique et expérimentale : Résultats très satisfaisants . Introduction Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion

Conclusion 2. Perspectives Optimiser les pertes et le coût Pour une MASDE – convertisseur : Utilisation, d’autres structures de convertisseurs ( CMI avec moins de composants commandables, CMI avec comme étage onduleur à 09 interrupteurs, …etc). Application de la commande directe du couple avec moins de capteurs de courants. Adaptation de la DTC-SVM au régime dégradé de fonctionnement Améliorer les performances Pour la DTC-SVM: Amélioration du mode de correction des perturbations à travers d'autre types de correcteurs (régulateur flou, régulateur associe au réseau de neurones) Application de ces stratégies de commandes à d'autres machines polyphasées. Introduction Alimentation de la MASDE Méthodes vectorielles de la MASDE Principe de la DTC-SVM Validation expérimentale Modèle de la MASDE en mode dégradé Principe de la DTC en mode dégradé Conclusion

Merci pour votre attention 46