Commande d'une machine synchrone alimentée … 1. Introduction 2. Autopilotage de la machine synchrone 3. Synthèse de la commande 4. Résultats de simulation 5. Résultats expérimentaux

Journée CSE Inter GDR MACS-SEEDS

Le 09 avril 2015

Commande d'une machine synchrone alimentée par 2 convertisseurs de

puissance à thyristors

Saber LAAMIRI *,°, Malek GHANES °, Gaëtan SANTOMENNA *

° Quartz, * GS Maintenance

Plan de l’exposé

1.  Introduction

2.  Autopilotage de la machine synchrone

3.  Synthèse de la commande

4.  Résultats de simulation

5.  Résultats expérimentaux

6.  Conclusion et perspectives

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1. Introduction 2. Autopilotage de la machine synchrone 3. Synthèse de la commande 4. Résultats de simulation 5. Résultats expérimentaux 6. Conclusion et perspectives

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La machine synchrone représente aujourd’hui une part importante du marché des convertisseurs électromécaniques d’énergie. Elle couvre une gamme de puissance très étendue :

  quelques Watts à quelques dizaines de Watts : entraînements de bandes, de disques

  quelques 100 W à quelques dizaines de kW et même 100 kW : servomoteurs (bras de robot, broches de machines-outils), véhicules électriques.

  quelques MW a quelques dizaines de MW : pompes, propulsion de bateaux, générateurs à vitesse variable, traction…

1.1. Généralités 1.2. Alimentation en courant de la machine

4

Dans la plupart des applications, la machine synchrone est alimentée par des onduleurs de tension [1], [2], [3]. Mais pour des applications de grandes puissances (1 MW à 50 MW) on est limité par la technologie des composants d’électronique de puissance « Transistor et IGBT ». Afin de remédier à cette contrainte, dans ce travail, on propose une commande de la machine synchrone avec un onduleur de courant à base des thyristors.


1.1. Généralités 1.2. Alimentation en courant de la machine

[1] A. Jebai, F. Malrait, P. Martin, and P. Rouchon. Estimation of saturation of permanent-magnet synchronous motors through an energy based model. IEEE International Electric Machines Drives Conference, 2011, pp. 1316-1321. [2] Al Kassem Jebai, Franois Malrait, Philippe Martin and Pierre Rouchon. Signal injection and averaging for position estimation of Permanent-Magnet Synchronous Motors. 51st IEEE Conference on Decision and Control December 10-13, 2012. Maui, Hawaii, USA. [3] M.A. Hamida, A. Glumineau and J. de Leon, Robust integral backstepping control for sensorless IPM synchronous motor controller, Journalof the Franklin Institute, vol. 349, 5, pp. 1734-1757, 2012.

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2.1. Généralités [4] 2.2. Redresseur 2.3. Commutateur 2.4. Commutation forcée


[4] R. Goyet, C. Nasr et C. Glaise. Exprimentation d’un ensemble machine réluctance variable-convertisseur extinction force-150KW -500tours/min-200Hz. Revue Phys. Appl. 22, pp. 359-366, 1987.

6

6

sin( )max12

sin( )max2 34

sin( )max3 3

V V wt

V V wt

V V wt

π

π

=

= −

= −

⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎩

3 3 cos( )maxVd Vmoy απ

=

2.1. Généralités 2.2. Redresseur 2.3. Commutateur 2.4. Commutation forcée

Tension de sortie


(cas idéal)

7

7

1 . ; 2 .

3 . ; 4 .

5 . ; 6 .

TH Ha Hb TH Hb Ha

TH Hb Hc TH Hc Hb

TH Hc Ha TH Ha Hc

= =

= =

= =

2.1. Généralités 2.2. Redresseur 2.3. Commutateur 2.4. Commutation forcée

Le capteur de position synchronise la commande des thyristors par rapport à la position du rotor [5], [6] .


[5] J. Shao. Direct Back EMF Detection Method for Sensorless Brushless DC (BLDC) Motor Drives. Thesis submitted to the Faculty of the Virginia Polytechnic Institute and the State University, Blacksburg, Virginia, 2003. [6] C. Sheeba Joice, P. Nivedhitha. Simulation of speed control of brushless dc motor, with fuzzy logic controller. International Journal of Electrical, Electronics and Data Communication, ISSN: 2320-2084, vol. 2, 4, 2014.

8

8

2.1. Généralités 2.2. Redresseur 2.3. Commutateur 2.4. Commutation forcée : principe

Il existe une fréquence limite, en-dessous de laquelle, la commutation naturelle est impossible. Pour de faibles vitesses de rotation, typiquement inférieures à 10% de la vitesse de rotation nominale, les forces électromotrices sont trop faibles pour assurer la commutation de l’onduleur [7]. La commutation naturelle n’est possible que si la f.e.m dépasse un seuil minimal. les thyristors de l’onduleur sont alors commutés grâce à une stratégie.

Annuler le courant dans la machine : éteindre les thyristors qui conduisent et allumer les nouveaux thyristors convenables pour que le champ statorique progresse et que le rotor suive.

La commutation forcée


[7] J. M. Rolland, S. Astier, L. Protin, Ch. Masselot et M. Lajoie-Mazenc. Modélisation analytique d’un système de pompage photovoltaÏque utilisant une machine synchrone en commutation naturelle : fonctionnement optimal et critères de constitution. Revue Phys. Appl. 23, pp. 1405-1414, 1988.

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Commutation forcée par des circuits extérieurs [8]

2 thyristors et un condensateur dimensionnés pour le démarrage. Permet facilement d’exclure la commutation forcée, dès que la machine peut assurer elle-même la commutation.

2.1. Généralités 2.2. Redresseur 2.3. Commutateur 2.4. Commutation forcée: stratégies existantes


[8] L. Steigerwald Robert and T.A. Lipo. Analysis of a Novel Forced-Commutation Starting Scheme for a Load-Commutated Synchronous Motor Drive. IEEE Transactions on Industr Applications, vol. ia-i5, 1,1979.

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Thyristor de roue libre qui met l’inductance en court-circuit



Thyristor de roue libre [9]

[9] I. F. Soran. Synchronous Motor fed by Current Inverter: Hybrid Model and its Required Parameters. Workshop on Electrical Machines’Parameters, Technical University of Cluj-Napoca, 2001.

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  Boucle de régulation du courant continu



Commande proposée [10], [11]

[10] L. H. Hoang. Etude de la commande numérique par microprocesseur d’une machine synchrone autopilotée alimentée en courant. Thèse de doctorat de l’Institut National Polytechnique de Grenoble, 1980. [11] P. C. Sen. Electric motor drives and control-past, present, and future. IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 37, 6, 1990.

Imposer des références de courant DC à la sortie du redresseur avec de faibles amplitudes et qui s’annulent pendant des courts instants

12

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3.1. Modèle de la machine synchrone autopilotée 3.2. Synthèse des régulateurs

3 3cos( )

IdV V L d R Im o e e ddtIdV V L d R Imd d d ddt

ψπ

= + +

= + +

⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩

LeRe

Amplitude de la f.é.m. Induite par phase de la machine.

Vo

Ld Résistance interne et inductance de la bobine de lissage.

Rd


Courant à la sortie du redresseur.

ψ Angle d’amorçage des thyristors du commutateur.

Id

Résistance et inductance équivalente du stator.

,

,

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3 3 cos( ) ( ) (Re )dIdVd Vo Le Ld Rd Iddt

ψπ

= + + + +

dIdVd E La RaIddt

= + +

: La force contre électromotrice. 3 3 cos( )E Vo Keψπ

= = ⋅Ω

Ra Résistance et inductance totales du circuit La

dJ m r frdtΩ= Γ −Γ − ⋅Ω



,

Equation mécanique :

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( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )

V s K s L s R I se a ad d

s s Js f sm r r

= Ω + +

Γ −Γ = + Ω

⎧⎪⎨⎪⎩

Transformée de Laplace

( ) ( )

( ) ( )

KiiV s K epi id sKivI s K epv vd ref s

⎧= +⎪⎪

⎨⎪ = +⎪ −⎩

Les deux régulateurs PI du courant et de la vitesse

e I Ii d ref dev ref

= −⎧ −⎪⎨

=Ω −Ω⎪⎩

Proposition: Sous l’hypothèse de paramètres connus, du couple résistant et de force contre électromotrice nuls, l'action des régulateurs PI sur ce modèle, permet d’avoir des erreurs de courant et de vitesse exponentiellement stables.



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LaK pii

RaKiii

τ

τ

=

=

⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩

JK pw K wt

frKiw K wt

τ

τ

=

=

⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩

Les deux fonctions de transfert en boucle fermée

1( )1

( )1

IF si R Ia s d refKiiKtF sv fr s refKiv

⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩

= =+ −

Ω= =Ω

+

Ce système montre que les fonctions de transfert en boucle fermée ont la forme d’un système du premier ordre.

Les paramètres des deux régulateurs sont :

Le système d’erreur est exponentiellement stable sous l’action des deux régulateurs PI



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4.1. Paramètres de la machine utilisée 4.2. Boucle du courant 4.3. Boucle du courant et de la vitesse

Machine synchrone triphasée à aimants permanents Tension entre phases : 220 V

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Application d’un créneau du courant d’amplitude 0.2 A et de fréquence croissante jusqu’au 10 Hz pour le démarrage. La durée d’annulation du courant est de 5 ms. A 2.5s, nous imposons un courant constant de 2A.


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Les courants dans la machine suivent le courant DC de référence en commutation forcée et ont une forme quasi sinusoïdale en mode de commutation naturelle.



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La machine est entraînée en commutation forcée jusqu’a atteindre 300tr/min, puis nous appliquons une rampe de vitesse jusqu'à 700tr/min.

La machine atteint 10 % de sa vitesse nominale à t=2 s. Une fois démarrée, sa vitesse suit parfaitement la référence.



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Chaine de protection contre les surtensions

La diode Zener amorce le thyristor THp dès que la tension de sortie du redresseur dépasse son seuil. THp court-circuite le générateur du courant et le protége contre les surtensions


5.1. Protection contre les surtensions 5.2. Signaux à effet hall 5.3. Tension aux bornes du moteur 5.4. Position au démarrage du moteur 5.5. Essai à vide 5.6. Essai en charge

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3 signaux fournis par le capteur à effet hall en fonction de l’angle rotorique. Ces signaux sont décalés de 120°.



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Tension entre phases de la machine en commutation naturelle. Le moteur tourne avec une fréquence de 20 Hz. Les pics qui apparaissent sont dus à la commutation des thyristors.



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Application des créneaux du courant continu à fréquence variable pour la commutation forcée.

La position du rotor varie indiquant le démarrage du moteur.



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La vitesse mesurée suit la vitesse de référence et le courant à l’entrée de l’onduleur est constant

Essai à vide en commutation naturelle



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Application de 10% du Couple de charge

La vitesse suit sa référence. Apparition d’une atténuation et d’un petit dépassement aux moments de l’application et de la suppression du couple de charge (2s et 5,7s).



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6.1. Conclusion 6.2. Perspectives

  Elaboration d’une commande de courant pour réaliser la commutation forcée afin de démarrer la machine synchrone alimentée en courant.  Réalisation de la régulation du système en boucle fermée en introduisant en interne la boucle de courant et en externe la boucle de vitesse.   Les résultats obtenus montrent :

•  la stabilité du système par l’action des régulateurs PI classiques, •  des bonnes performances dynamiques du courant et de la vitesse.

  Implémentation expérimentale de la commande en utilisant une carte à base du DSP et du FPGA.


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  Proposition des commandes non linéaires, modernes et robustes pour l’ensemble machine synchrone-convertisseurs.   Suppression du capteur de position et/ou du capteur du courant/tension .

  Proposition d’un système de contrôle-commande par retour de sortie basé sur un observateur (sans capteur).

  Validation expérimentale de ce système.

  Prise en compte du groupe électrogène (moteur diesel).

  Conception d’une stratégie de commande permettant de réduire les ondulations du couple.

6.1. Conclusion 6.2. Perspectives


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