These Paul Sandulescu

Arts et Mtiers ParisTech - Centre de Lille Laboratoire d'Electrotechnique et d'Electronique de Puissance de Lille

2013-ENAM-0034

cole doctorale n 432 : Sciences des Mtiers de lIngnieur

prsente et soutenue publiquement par

Paul SANDULESCU

le 06 Septembre 2013

Modlisation et commande dun systme trois phases

indpendantes double fonctionnalit : Traction lectrique et

Chargeur Forte Puissance pour application automobile

Doctorat ParisTech

T H S E

pour obtenir le grade de docteur dlivr par

lcole Nationale Suprieure d'Arts et Mtiers

Spcialit Gnie Electrique

Directeur de thse : Eric SEMAIL

Co-encadrement de la thse : Xavier KESTELYN

Co-encadrement de la thse : Antoine BRUYERE

T

H

S

E

Jury

M. Luc LORON, Professeur des universits, IREENA, Polytech'Nantes Prsident

M. Pascal MAUSSION, Professeur des universits, LAPLACE, INP de Toulouse Rapporteur

M. Eric MONMASSON, Professeur des universits, SATIE, Universit Cergy Pontoise Rapporteur

M. Damien FLIELLER, Matre de Confrences, GREEN, INSA de Strasbourg Examinateur

M. Eric SEMAIL, Professeur des universits, L2EP, Arts et Mtiers PARISTECH/ ENSAM Examinateur

M. Xavier KESTELYN, Maitre de Confrences HdR, L2EP, Arts et Mtiers PARISTECH/ ENSAM Examinateur M. Antoine BRUYERE, Docteur, Ingnieur-expert, Valeo PowerTrain Systems Examinateur

Avertissement

Ces travaux de thse ont t effectus lcole Nationale Suprieure dArts et Mtiers (Arts et

Mtiers ParisTech, centre de Lille) au sein du Laboratoire dlectrotechnique et dlectronique de

Puissance de Lille (L2EP). La thse a t effectue dans le cadre du projet SOFRACI (Structure

Onduleur Fort Rendement Fonction Charge Intgre), projet labellis par le ple MOVEO, en

collaboration avec lentreprise VALEO PowerTrain Systems qui pilotait le consortium cr cet effet,

regroupant dautres partenaires acadmiques et industriels (Leroy-Somer, DUONS MCO, ELECTRICFIL

Automotive, IFSTTAR LTN, ESTACA, LGEP/ SUPELEC, G2ELab/ Grenoble INP-UJF). Ces travaux ont t

financs dans le cadre du programme FUI8, destin soutenir la recherche applique.

Je tiens remercier le Ministre de lconomie, de lIndustrie et de lEmploi pour leur soutien

financier.

SOFRACI

i

Remerciements

Depuis 2009, je vis une exprience humaine et scientifique remarquable. Mais cela na pas pu se faire

tout seul. Je tiens ainsi remercier toutes les personnes qui ont particip mon parcours.

Jadresse dabord mes remerciements Monsieur Florin Ionescu, Professeur des Universits

Politehnica Bucarest, pour mavoir propos le stage de fin dtude dans le cadre de lquipe

Commande du Laboratoire dlectrotechnique et lectronique de Puissance de Lille (L2ep). Cest

grce ce stage (qui a dur quatre mois) que jai dcouvert une nouvelle culture, un nouveau pays

et, plus particulirement, un monde acadmique qui mtait auparavant peu connu. Jadresse ce

sens mes plus vifs remerciements Madame Betty Lemaire-Semail, Professeur des Universits

PolytechLille et Directeur du laboratoire L2ep, pour mavoir accueilli, pour avoir dirig mon stage et

pour ses conseils et encouragements qui mont permis de mengager ensuite dans la ralisation de

cette thse.

Je tiens ensuite remercier les institutions dans le cadre desquelles jai travaill et volu, en

commenant par lInstitut de Recherche sur les Composants logiciels et matriels pour lInformation

et la Communication Avance (IRCICA), ensuite le Laboratoire dlectrotechnique et lectronique de

Puissance de Lille et finalement lEcole Nationale Suprieure dArts et Mtiers ParisTech pour leur

accueil, le fait davoir mis ma disposition les lments ncessaires ma formation, et pour laide

administratif dont jai bnficie.

la fin de cette priode, jadresse mes remerciements Monsieur Luc Loron, Professeur des

Universits, IREENA, PolytechNantes, de mavoir fait lhonneur de prsider le jury de thse et davoir

t examinateur de mes travaux. Je suis reconnaissant Monsieur Pascal Maussion, Professeur des

Universits, LAPLACE, INP de Toulouse et Monsieur Eric Monmasson, Professeur des Universits,

SATIE, Universit Cergy Pontoise, davoir accept de rapporter cette thse. Je remercie galement

Monsieur Damien Flieller, Matre de Confrences, GREEN, INSA de Strasbourg, davoir t

examinateur de cette thse. Leurs observations et conseils mont permis damliorer ce mmoire de

thse.

Jadresse tous mes remerciements Antoine Bruyre, Docteur Ingnieur-expert Valeo Power Train

Systems, pour mavoir permis de travailler avec Valeo, pour sa confiance et la libert quil ma offert

pendant ces trois annes de thse. Je tiens, Antoine, te remercier galement pour ta disponibilit

et pour mavoir toujours soutenu malgr ma faon difficile de prsenter mes travaux.

Un merci appuy Xavier Kestelyn, Matre de Confrences HDR Arts et Mtiers Paristech centre de

Lille, pour sa totale disponibilit comme co-encadrant de ma thse, ainsi que pour mavoir apport

son savoir en modlisation numrique et en commande des systmes. Je souhaite galement le

remercier pour son amiti et toutes nos discutions quotidiennes.

Je voudrais exprimer toute ma reconnaissance mon directeur de thse, ric Semail, Professeur des

Universits Arts et Mtiers ParisTech centre de Lille. En plus de son remarquable suivi scientifique,

de sa totale implication dans mon travail de thse, de son suivi administratif et des conditions de

travail exceptionnelles quil a mis ma disposition, je lui suis reconnaissant pour ses uniques qualits

ii

humaines qui mont chaperonnes tout au long de la thse. Je suis conscient de la chance que jai eu

de vous avoir rencontr et davoir pu profiter de toute lnergie que vous avez dpense pour ma

formation scientifique et humaine. Merci !

Je tiens remercier mes collgues de laboratoire, L2ep (Arts et Mtiers, IRCICA et Universit Lille 1)

et LSIS, avec lesquels jai partag des moments de dtente ; dans la dsordre : Ky, Frderic, Franois,

Adil, Hung, Ivan, Yvan, Hicham, Thomas, Sijun (Steve), Pierre, Laure (merci pour les bonnes crpes !),

Christophe, Karim, Quang, Tony, Zuqi, Zifu, Walter, Alain, Philippe, Claire, Julien, Frderic, Michel,

Adel, Marouene, Alain, Stphane, Nadime, Laurent (Lolo), Richard, Franck (merci pour ton aide

prcieuse pour le montage photo/vido et pour ta bont).

Mes remerciements sadressent galement Bassel et Li, mes collgues dquipe et de bureau avec

lesquels jai partag mes annes de thse. Un merci particulier Bassel pour son amiti et sa

patience envers quelquun avec des vagues connaissances sur la conception des machines

lectriques.

Merci Luc, Grard et Marc, pour leur aide au dveloppement du banc exprimental mais aussi pour

les moments passs en leur compagnie.

Un merci particulier Fabien avec qui jai partag le bureau pendant la dernire anne de thse. Je

te suis reconnaissant pour ta disponibilit, ton aide, tes rponses mes (nombreuses) questions et ta

bonne humeur (le grand prophte Belle vie a dit : rien ne vient tout seul de nos jours ). Je ne te

souhaite que de bonnes choses et jespre quon pourra un jour retravailler ensemble.

Un grand merci Lahoucine et Sbastien, pour mavoir permis dapprendre travailler avec le FPGA.

Jai appris beaucoup auprs de vous, notamment des choses sur lesquelles je naurais pas pu me

former dans le cadre du laboratoire.

Mes remerciements sadressent galement, de faon plus personnelle Radu, Mircea et Razvan, mes

trois copains de facult, avec qui jai partag des nombreux moments damiti.

Enfin, je voudrais remercier mes parents. Je leur suis reconnaissant pour tous les sacrifices quils ont

fait pour moi. Je leur remercie pour leur soutien et leurs encouragements qui mont permis de

raliser lensemble de mon parcours qui, aujourdhui se concrtise en ce travail de thse.

Olimpia, toi je te remercie le plus, dune part pour tout ton aide sans laquelle cette thse naurais

jamais t possible, mais, plus particulirement, je te suis reconnaissant pour ton amour, ton soutien

et pour mavoir compris et accept pendant ces dernires annes

iii

Table des matires

Table des matires ............................................................................................................................ iii

Glossaire ............................................................................................................................................ vi

Liste des figures ................................................................................................................................ ix

Liste des tableaux ............................................................................................................................. xv

1. CONTEXTE TAT DE LART ............................................................................................. 1

1.1. Groupe motopropulseur pour lautomobile, limpact global pour lconomie et lenvironnement ...... 3

1.2. Le projet SOFRACI ............................................................................................................................. 5

1.2.1. Prsentation du projet enjeux et verrous technologiques ............................................................. 5

1.2.2. Structure innovante SOFRACI et objectifs ......................................................................................... 6

1.3. Machines trois phases indpendantes ............................................................................................ 9

1.3.1. Travail et positionnement hors laboratoire .................................................................................... 10

1.3.2. Travaux et positionnement dans le cadre du laboratoire ............................................................... 13

1.3.3. Modles dtude de la machine lectrique ..................................................................................... 14

1.3.3.1. Cas dune machine lectrique ples lisses fem non sinusodale ........................................... 15

1.3.3.2. Cas dune machine effet de saillance fem non sinusodale ................................................... 17

1.3.4. Modle pour londuleur de tension ................................................................................................ 19

1.4. Rsum conclusions ..................................................................................................................... 20

2. GESTION DE LA COMPOSANTE HOMOPOLAIRE HAUTE FREQUENCE .............. 21

2.1. Modlisations vectorielles de londuleur 6 bras ............................................................................ 23

2.1.1. Dfinition dun espace de dimension 6 ........................................................................................... 23

2.1.2. Projection dans un espace de dimension 3 ..................................................................................... 25

2.1.2.1. Reprsentation graphique .......................................................................................................... 26

2.1.2.2. Analyse des familles de vecteurs ................................................................................................ 28

2.2. Stratgies possibles en MLI ............................................................................................................. 29

2.2.1. MLI intersective ............................................................................................................................... 30

2.2.1.1. MLI intersective 2 Niveaux .......................................................................................................... 30

2.2.1.2. MLI intersective 3 Niveaux Simple Modulation .......................................................................... 33

2.2.1.3. MLI intersective 3 Niveaux Double Modulation ......................................................................... 35

2.2.2. MLI vectorielle Z-SVM ..................................................................................................................... 36

2.3. Comparaison des stratgies en simulation ....................................................................................... 39

2.3.1. Leffet de la composante homopolaire onduleur commutation idale .................................... 39

2.3.2. Leffet de la composante homopolaire onduleur commutation non idale ............................. 41

2.3.3. Prise en compte des phnomnes de saturation et des dures minimales de conduction ........... 44

2.3.4. Prise en compte des capacits parasites ......................................................................................... 46

2.4. Rsum conclusions ..................................................................................................................... 47

iv

3. CONTROLE DE LA COMPOSANTE HOMOPOLAIRE BASSE FREQUENCE ............ 49

3.1. Spcificits dune structure trois phases indpendantes ................................................................ 51

3.1.1. Impact sur le couple ........................................................................................................................ 51

3.1.2. Impact sur la saturation de londuleur en tension et en courant ................................................... 54

3.1.3. Impact sur les pertes Joule .............................................................................................................. 59

3.1.4. Limpact de linductance homopolaire sur la boucle de rgulation ................................................ 60

3.1.5. Rsum ............................................................................................................................................ 64

3.2. Stratgies de commande avec composante homopolaire ................................................................. 64

3.2.1. Fonctionnement en mode non-deflux de la machine 3 phases indpendantes ........................ 66

3.2.1.1. Optimisation de lespace courant ............................................................................................... 67

3.2.1.2. Optimisation de lespace tension prise en compte de la saturation de londuleur ................. 72

3.2.2. Fonctionnement en mode deflux de la machine 3 phases indpendantes ................................ 77

3.2.2.1. Dfluxage sur la machine principale (M1) .................................................................................. 77

3.2.2.2. Prise en compte de la machine homopolaire dans le dfluxage ................................................ 93

3.2.2.3. Fonctionnement en dfluxage avec commande Vh nulle (mode M3) ........................................ 95

3.2.2.4. Fonctionnement en dfluxage avec surmodulation (mode M2) ................................................ 95

3.2.2.5. Deux stratgies de fonctionnement en dfluxage avec un courant homopolaire nul ............... 96

3.2.2.6. Comparaison des stratgies de gestion de la saturation de londuleur ................................... 103

3.2.2.7. Fonctionnement en dfluxage avec une commande optimale gnrale ................................. 106

3.3. Rsum conclusions ................................................................................................................... 106

4. BANC DESSAI, IMPLEMENTATION ET VALIDATION DES ALGORITHMES .... 109

4.1. Prsentation du banc .................................................................................................................... 111

4.2. Le systme en temps rel .............................................................................................................. 112

4.2.1. Environnement FPGA .................................................................................................................... 113

4.2.2. Environnement CPU ...................................................................................................................... 114

4.2.3. Implmentation sur FPGA ............................................................................................................. 114

4.2.4. Implmentation des algorithmes de contrle sur le processeur .................................................. 119

4.3. Essais exprimentaux et validations .............................................................................................. 120

4.3.1. Stratgies de pilotage de londuleur rsultats ........................................................................... 120

4.3.1.1. Stratgie 2 Niveaux ............................................................................................................. 121

4.3.1.2. Stratgie 3 Niveaux Simple Modulation .............................................................................. 121

4.3.1.3. Stratgie 3 Niveaux Double Modulation ............................................................................. 122

4.3.1.4. Stratgie Z SVM ................................................................................................................... 122

4.3.1.5. Comparaison des stratgies de pilotage sur une plage de vitesse ........................................... 123

4.3.2. Stratgies de contrle rsultats ................................................................................................. 125

4.3.2.1. Stratgie de contrle tension homopolaire nulle (Vh=0) ....................................................... 125

4.3.2.2. Stratgies de contrle courant homopolaire nul (Ih=0) ...................................................... 128

4.3.2.3. Comparaison des stratgies de contrle sur une plage de vitesse ........................................... 133

4.4. Rsum conclusions ................................................................................................................... 135

5. CONCLUSIONS GENERALES ET PERSPECTIVES ...................................................... 137

v

6. ANNEXES ............................................................................................................................. 141

6.1. Module SOGI (Second Order Generalized Integrator) ..................................................................... 143

6.2. Prototype SOFRACI ........................................................................................................................ 145

6.3. Stratgies de contrle hors dfluxage optimisation de lespace courant ...................................... 147

6.4. Stratgies de contrle hors dfluxage optimisation de lespace tension ...................................... 151

6.5. Calcul des paramtres des correcteurs ........................................................................................... 156

6.6. Modle lectrique de la machine trois phases indpendantes ..................................................... 158

6.6.1. Modle lectrique de la machine dans le repre naturel ............................................................. 158

6.6.2. Modle lectrique de la machine dans le repre de Concordia ................................................... 161

6.6.3. Modle lectrique de la machine dans le repre rotorique ......................................................... 165

6.7. Validation du modle lectrique .................................................................................................... 170

6.7.1. Validation du modle lectrique de la machine ........................................................................... 170

6.7.2. Validation du modle lectrique de londuleur ............................................................................ 172

6.7.2.1. Stratgie 2 Niveaux ............................................................................................................. 173

6.7.2.2. Stratgie 3 Niveaux Simple Modulation .............................................................................. 173

6.7.2.3. Stratgie 3 Niveaux Double Modulation ............................................................................. 175

6.7.2.4. Stratgie Z SVM ................................................................................................................... 176

6.8. Limpact des harmoniques supplmentaires sur la commande ....................................................... 177

6.9. Le projet SOFRACI ......................................................................................................................... 179

6.10. Zooms de figures ........................................................................................................................... 180

7. BIBLIOGRAPHIE ............................................................................................................... 186

vi

Glossaire

Abrviations : a AIO Analog Input/ Output c CPU Central Processing Unit d DIO Digital Input/ Output

DPWM Discontinous Pulse-width modulation DM Double Modulation

f fem Force lectromotrice FPGA Field-programmable gate array

m M0, M0 Machine fictive homopolaire (primaire, secondaire) M1 Machine fictive principale M2 Machine fictive secondaire M3 Machine fictive tertiaire MLI Modulation de Largeur dImpulsions

MSAP Machine Synchrone Aimants Permanents MTPA Maximum Torque Per Ampere MTPV Maximum Torque Per Voltage

p PCIe Peripheral Component Interconnect express PI, I Proportionnelle Intgrale, Intgrale

PTHIPWM Progressive Third Harmonic Injection Pulse-Width Modulation r REM Reprsentation nergtique Macroscopique

RTSI Real-Time System Integration RTW Real-Time Workshop

s SM Simple Modulation SMM Systme Multimachines Multiconvertisseurs

SVM ou SVPWM Space Vector Modulation, Space Vector Pulse-Width Modulation SOGI Second Order Generalized Integrator

t THIPWM Third Harmonic Injection Pulse-Width Modulation v VHDL Very-high-speed integrated circuits Hardware Description Language x XSG Xilinx System Generator

Grandeurs lectriques, magntiques et mcaniques : c CH6 Coefficient de scurit associ lharmonique 6

e xe ou se

Force lectromotrice de la phase x, Vecteur de la force lectromotrice dans le repre statorique

he Force lectromotrice homopolaire

e

Composantes du vecteur de la force lectromotrice dans le repre de Concordia

0Me Force lectromotrice associe la machine M0

1Me

Vecteur de la force lectromotrice associ la machine M1

f ffond Frquence associe lharmonique fondamental fMLI Frquence MLI

h Hx Harmonique de rang x

i i

Composantes du vecteur du courant de phase dans le repre de Concordia

di , dI Courant sur laxe d (repre rotorique)

iDC Courant du bus continu

vii

DFXdI Rfrences de courant de dfluxage gnres par la rgulation intgrale

mindI Courant minimal autoris sur laxe d

max@ dqIdqI Courants sur les axes d et q en rgime de courant maximal

0@ dqIdqI Courant sur les axes d et q en rgime MTPV

ModleDFXdqI Rfrences de courant de dfluxage gnres analytiquement laide du modle lectrique de la machine (repre rotorique)

maxdqI Valeur maximale dans le plan dq de courant

hi Courant homopolaire

hDQi Composantes en quadrature du courant homopolaire en repre fictif stationnaire

H1 Valeur crte du courant associ lharmonique fondamental (H1)

0Mi Courant associ la machine M0

si

, xi ou abci

Vecteur de courant de phase dans le repre naturel

1Mi

Vecteur de courant associ la machine M1

qi , qI Courant sur laxe q (repre rotorique)

k kFEMx Taux dharmonique x dans la force lectromotrice

kiFW Gain dintgration pour la rgulation intgrale kIx Taux dharmonique x dans le courant

tK Constante de la force lectromotrice

l Ld Inductance sur laxe d (repre rotorique) Lh Inductance homopolaire (repre de Concordia/ rotorique)

Lm0 Composante non saillante de linductance dune phase qui comporte linductance magntisante et linductance des fuites

Lmn0 Composante non saillante de linductance mutuelle Lm2, Lm4, Lmn2, Lmn4 Harmoniques 2 et 4 des termes de saillance des inductances propres et mutuelles

Lq Linductance sur laxe q (repre rotorique) Lss Matrice dinductance statorique

m ondm

Vecteur fonction de modulation de londuleur

Mx,x Inductance totale de la phase x Mx,y Inductance mutuelle totale entre phases x et y

n NPh Nombre de phases p p Nombre de paires des ples

pem Puissance lectromagntique pJ Pertes par effet Joule

prel Puissance rluctante pw Puissance magntique

r RON Rsistance du modle quivalent du semi-conducteur Rs Rsistance statorique

t T Couple total Tfall Dure de descente du courant TM Couple maximal

TM0, Th Couple homopolaire ou associ la machine fictive M0 TM1 Couple associ la machine fictive M1 TMLI Priode MLI

TN Couple nominal Tr Couple rsistant

viii

Ttail Dure du courant de trane

v v

Composantes du vecteur de la tension de phase dans le repre de Concordia

Vf Tension ltat passant des semi-conducteurs

dV Tension sur laxe d (repre rotorique)

VDC Tension du bus continu

maxdqV Valeur maximale dans le plan dq de tension garantissant le fonctionnement la limite de saturation de londuleur

hv Tension homopolaire

hDQV Composantes en quadrature de la tension homopolaire en repre fictif stationnaire

hdV , hqV Composantes en quadrature de la tension homopolaire en repre fictif tournant

0Mv Tension associe la machine M0

1Mv

Vecteur tension associ la machine M1

sv

ou abcv

Vecteur de tension de phase dans le repre naturel

qV Tension sur laxe q (repre rotorique)

Coefficient de surestimation des paramtres

, abc

, PhN

s

, h Force lectromotrice normalise par la vitesse mcanique

m Position mcanique

h Constante de temps homopolaire

xI1

Dphasage relatif entre les harmoniques 1 et x du courant

13 Dphasage relatif entre les harmoniques 1 et 3 de tension de rfrence

xFEM 1 Dphasage relatif entre les harmoniques 1 et x de la fem

abc

Flux magntique (repre naturel)

1,M Flux des aimants (prise en compte de lharmonique fondamental, repre rotorique)

abcr

Flux magntique cr par les aimants rotoriques (repre naturel)

abcs

Flux magntique cr par les courants statoriques (repre naturel)

e Vitesse lectrique

b Vitesse de base

m Vitesse mcanique

Grandeurs mahematiques :

B3 Base naturelle triphase

B6 Base naturelle hexaphase

C Base Concordia C Matrice de transformation de Concordia

dq Axes du repre rotorique h Axe du du repre homopolaire I Matrice unitaire

R Matrice de rotation T Transpose

Axes du repre de Concordia

ix

Liste des figures

Figure 1 Structure SOFRACI .................................................................................................................................... 7

Figure 2 Moteur et Onduleur de tension utiliss pour lapplication SOFRACI ........................................................ 9

Figure 3 REM de la machine trois phases indpendantes dans le repre dcoupl .......................................... 16

Figure 4 Structure de commande en couple de la machine trois phases indpendantes par inversion de la

chane nergtique ................................................................................................................................................ 17

Figure 5 Onduleur de tension trois niveaux coupl avec une machine trois phases indpendantes ................. 19

Figure 6 Espace de tension accessible avec une structure donduleur de tension monophase .......................... 20

Figure 7 Topologie de lalimentation tudie........................................................................................................ 23

Figure 8 Prsentation dune phase de la machine connecte londuleur en fonctionnement en mode traction

avec la mise en vidence du point milieu de la bobine et les possibles capacits parasites associes ................. 24

Figure 9 Prsentation dune phase de la machine connecte londuleur en fonctionnement en mode traction

sur lhypothse dun espace de dimension trois pour les tensions ........................................................................ 25

Figure 10 Reprsentation des vecteurs accessibles avec la structure six bras donduleur en utilisant une base

tridimensionnelle ................................................................................................................................................... 27


tridimensionnelle ; projections dans une nouvelle base dcouple (voir zoom en annexe 6.10) .......................... 27

Figure 12 Lespace fictif principal () et lespace fictif homopolaire (h), normalis par la tension VDC .............. 28

Figure 13 Modulation de type 2 Niveaux vecteurs activs pendant une priode MLI (voir zoom en annexe

6.10) ...................................................................................................................................................................... 30

Figure 14 6 ttradres accessibles avec la modulation 2 Niveaux et leurs projections, six triangles en traits

gras rouge et noir, sur le plan (voir zoom en annexe 6.10) .............................................................................. 31

Figure 15 Spectre harmonique en utilisant la stratgie MLI 2 Niveaux (1 f [pu] = fMLI) .................................. 32

Figure 16 Modulation de type 3 Niveaux Simple Modulation vecteurs activs pendant une priode MLI

(voir zoom en annexe 6.10) ................................................................................................................................... 33

Figure 17 Ttradres accessibles lors de la modulation 3 Niveaux et projections sur le plan (voir zoom en

annexe 6.10) .......................................................................................................................................................... 33

Figure 18 Spectre harmonique en utilisant la stratgie MLI 3 Niveaux Simple Modulation (1 f [pu] = fMLI) ... 34

Figure 19 Modulation de type 3 Niveaux Double Modulation vecteurs activs pendant une priode MLI

(voir zoom en annexe 6.10) ................................................................................................................................... 35

Figure 20 Spectre harmonique en utilisant la stratgie MLI 3 Niveaux Double Modulation (1 f [pu] = fMLI) .. 36

Figure 21 Plan accessible et vecteurs utilisables lors de lutilisation de la stratgie vectorielle de modulation

.............................................................................................................................................................................. 36

Figure 22 Modulation vectorielle Z-SVM vecteurs activs pendant une priode MLI (voir zoom en annexe

6.10) ...................................................................................................................................................................... 37

Figure 23 Spectre harmonique en utilisant la stratgie Z-SVM (1 f [pu] = fMLI) .............................................. 38

Figure 24 Modulation 2 Niveaux utilisant un modle donduleur avec commutation idale ......................... 39

Figure 25 Modulation 3 Niveaux SM utilisant un modle donduleur avec commutation idale ................... 40

Figure 26 Modulation 3 Niveaux DM utilisant un modle donduleur avec commutation idale .................. 40

Figure 27 Modulation vectorielle Z SVM utilisant un modle donduleur avec commutation idale ............. 41

Figure 28 Le courant homopolaire pour les quatre stratgies de pilotage de londuleur utilisant un modle

donduleur avec commutation idale .................................................................................................................... 41

Figure 29 Modulation 2 Niveaux utilisant un modle donduleur commutation non idale ....................... 42

Figure 30 Modulation 3 Niveaux SM utilisant un modle donduleur commutation non idale ................. 42

Figure 31 Modulation 3 Niveaux DM utilisant un modle donduleur commutation non idale ................ 43

Figure 32 Modulation vectorielle Z SVM utilisant un modle donduleur commutation non idale ........... 43

Figure 33 Le courant homopolaire pour les quatre stratgies de pilotage de londuleur utilisant un modle

donduleur commutation non idale .................................................................................................................. 43

x

Figure 34 Mise en vidence des zones de saturation pour limplmentation des dures minimales de conduction

.............................................................................................................................................................................. 44

Figure 35 Gauche: Tension de rfrence accessible pendant la Z SVM avec prise en compte des dures

minimales de conduction; Droite: vue sur le secteur dfini par les vecteurs 14, 16 et 22. .................................... 45

Figure 36 Le courant de phase et leffet des capacits parasites en rapport avec la stratgie de modulation

(rsultats de simulations) ...................................................................................................................................... 46

Figure 37 Taux moyen doscillation d aux capacits parasites pendant lutilisation de la stratgie 3 Niveaux

DM pour plusieurs frquences MLI ..................................................................................................................... 47

Figure 38 Mise en vidence du dphasage relatif FEM13 calcul entre la fem fondamentale (H1) de la phase a et

la fem homopolaire (H3) pour une machine triphase ......................................................................................... 52

Figure 39 Gauche : Couple homopolaire normalis reprsent en fonction de langle mcanique et dphasage

entre le courant et la fem homopolaire pour une machine lectrique triphase ; Droite : Reprsentation en deux

dimensions du couple homopolaire normalis, pour deux dphasages I13 .......................................................... 53

Figure 40 Impact de lhomopolaire sur le couple lectromagntique total : a1) et b1) Gain en couple ; a2) et b2)

Pulsation du couple par rapport au couple moyen. Figures a1) et a2) ralises pour kFEM3/kFEM1=0.024 pu. Figures

b1) et b2) ralises pour kFEM3/kFEM1=0.25 pu ........................................................................................................ 53

Figure 41 Impact de lhomopolaire sur le couple lectromagntique total dans le cas dun dphasage 13 pour

un couple homopolaire moyen maximum (13=) ................................................................................................ 54

Figure 42 Espace de tension accessible en fonction du couplage du point neutre pour une machine lectrique

triphase : couplage toile neutre isol (hexagone) et couplage toile neutre sorti (cube) [84] .......................... 55

Figure 43 Mise en vidence de laspect de saturation en tension ........................................................................ 56

Figure 44 Prise en compte de la saturation en tension par lintervention sur H1 ................................................ 57

Figure 45 Prise en compte de la saturation en tension par lintervention sur la phase de londe H3 avec

dphasage relatif nul entre lharmonique fondamental et lharmonique trois .................................................... 57

Figure 46 Pertes Joule, analyse spectrale du courant de phase et couple obtenu pour kFEM3/kFEM1=0.024 et pour

trois stratgies de commande : pertes Joule optimales couple constant (courbes bleues) ; pertes Joule

minimales en autorisant uniquement les harmoniques un et trois du courant (courbes magenta) et la stratgie

courant sinusodal (courbes rouges) ..................................................................................................................... 59

Figure 47 Pertes Joule, analyse spectrale du courant de phase et couple obtenu pour kFEM3/kFEM1=0.25 et pour

trois stratgies de commande : pertes Joule optimales couple constant (courbes bleues) ; pertes Joule

minimales en autorisant uniquement les harmoniques un et trois de courant (courbes magenta) et la stratgie

courant sinusodal (courbes rouges) ..................................................................................................................... 60

Figure 48 Exemple de machines : a) Machine trois phases (12-8) conventionnelle (Lh=0) ; b) Machine trois

phases (12-8) avec mutuelle nulle (Lh=Lm0) [82] .................................................................................................... 61

Figure 49 Circuit fictif homopolaire dans le repre de Park: vh tension gnre par le module dasservissement

du courant, R rsistance statorique, Lh inductance homopolaire, Eh fem homopolaire ............................... 62

Figure 50 Impact du dphasage v pour deux valeurs dinductance homopolaire (1 pu=21 Aeff) ........................ 63

Figure 51 Impact dune erreur sur lamplitude v pour deux valeurs de linductance homopolaire (1 pu=21 Aeff)

.............................................................................................................................................................................. 64

Figure 52 Schma de commande du courant dun axe fictif ................................................................................ 64

Figure 53 Caractristique couple vitesse avec la mise en vidence du cahier des charges mcanique et limites

dalimentation ....................................................................................................................................................... 66

Figure 54 Plan couple-vitesse pour le fonctionnement en rgime non-dflux .................................................... 67

Figure 55 Corrlations entre lharmonique un et lharmonique trois ................................................................... 68

Figure 56 Module de calcul pour la composante homopolaire du courant .......................................................... 69

Figure 57 Rsultats des simulations pour la commande de surmodulation en courant ....................................... 69

Figure 58 Rapport entre les pertes Joule pour la commande propose et la commande courant homopolaire

nul pour les mmes contraintes en courant .......................................................................................................... 70

xi

Figure 59 Amplitude crte du courant (harmonique un et trois) en fonction dune erreur dasservissement au

niveau de la phase sur lharmonique trois injecte ............................................................................................... 70

Figure 60 Spectres harmoniques des tensions homopolaires injectes pour une rfrence de tension gale la

limite de type A1 (voir Annexe 6.4, Figure 124) et une valeur de lharmonique un (H1) gale 1 pu ............ 73

Figure 61 Spectres harmoniques des tensions homopolaires injectes pour une rfrence de tension gale la

limite de type B1 (voir Annexe 6.4, Figure 124) et une valeur de lharmonique un (H1) gale 3/2 pu ...... 74

Figure 62 Rsultats des simulations pour la commande de surmodulation en tension ....................................... 75

Figure 63 Fonctionnement en dfluxage avec mise en vidence des tapes parcourues par le courant dans le

repre dq ............................................................................................................................................................... 82

Figure 64 Rgions de fonctionnement de la machine lectrique: MTPA et dfluxage ......................................... 82

Figure 65 Lespace tension et lespace courant pour un point de fonctionnement en dfluxage dans le cas dune

machine ples lisses ........................................................................................................................................... 83

Figure 66 Schma bloc du calcul des courants de rfrence en dfluxage pour une machine ples lisses en

utilisant le modle lectrique en rgime permanent ............................................................................................ 86

Figure 67 Les courbes couple vitesse, la tension dq et le courant dq pour deux machines ples lisses : gauche

- LdIdqmaxM,1 ...................................................................................................................... 87

Figure 68 Linfluence de la rsistance pendant le fonctionnement la limite de saturation en tension ............. 88

Figure 69 Prise en compte des phnomnes dynamiques .................................................................................... 88

Figure 70 Effet sur le courant Id par la prise en compte des phnomnes dynamiques ....................................... 89

Figure 71 Dfluxage courant maximal pour une machine saillance inverse (Lq>Ld) ....................................... 90

Figure 72 Schma bloc du calcul des courants de rfrence en dfluxage par modle et par rgulation en

boucle ferme sur laxe d ...................................................................................................................................... 92

Figure 73 Module de dfluxage par intgrateur .................................................................................................. 93

Figure 74 Gauche : Lespace accessible de la machine fictive principale lors du fonctionnement Vh=0 et la

limite en tension associe ; Droite : Schma de commande ................................................................................. 95

Figure 75 Gauche : Lespace accessible de la machine fictive principale pendant le fonctionnement en

surmodulation et la limite en tension associe ; Droite : Schma de commande ................................................. 96

Figure 76 Lespace accessible de la machine fictive principale en fonction de la composante homopolaire de

tension (voir zoom en annexe 6.10) ...................................................................................................................... 97

Figure 77 Gauche : Tension disponible dans le repre dq en fonction de la vitesse mcanique et du taux

dharmonique trois dans la fem ; Droite : Schma de commande courant homopolaire nul ............................. 98

Figure 78 Corrlations entre les amplitudes de tension de lharmonique un et trois pour diffrents dphasages

relatifs (Vmax =1 pu) ............................................................................................................................................... 99

Figure 79 Lespace accessible de la machine fictive principale en fonction de la composante homopolaire de

tension et du dphasage relatif 13 nul (voir zoom en annexe 6.10) ................................................................... 100

Figure 80 Schma de la commande courant homopolaire nul avec la prise en compte de lamplitude et phase

relative de lharmonique trois par rapport au fondamental ............................................................................... 101

Figure 81 Tension maximale disponible en fonction de la vitesse et pour diffrents taux dharmonique trois

prsents dans le fem ........................................................................................................................................... 102

Figure 82 Gain en couple par rapport la stratgie non optimale Ih=0 ......................................................... 103

Figure 83 Pour le prototype SOFRACI a)Tension accessible dans lespace dq en fonction de la stratgie pour la

machine homopolaire; b) Couple lectromagntique rapport au couple obtenu par la stratgie courant

homopolaire nul avec optimisation de lespace tension; .................................................................................... 104

Figure 84 Courant homopolaire dvelopp lors de la commande tension homopolaire nulle et surmodulation

............................................................................................................................................................................ 104

Figure 85 Enveloppe de la fem homopolaire et phase relative par rapport lharmonique fondamental de

tension ................................................................................................................................................................. 105

Figure 86 Puissance mcanique dveloppe en fonction de la stratgie de commande utilise ....................... 105

Figure 87 Schma du banc exprimental ........................................................................................................... 111

xii

Figure 88 Diagramme de communication entre les modules ............................................................................. 112

Figure 89 Flux de donnes partant du modle CPU au modle FPGA ................................................................ 112

Figure 90 du modle vers limplmentation en temps rel ... ......................................................................... 113

Figure 91 Gnration des triggers sur le FPGA ................................................................................................... 115

Figure 92 Exemple dune implmentation sur FPGA des deux oprations algbriques procd a) ................. 115

Figure 93 Exemple dune implmentation sur FPGA des deux oprations algbriques procd b) ................. 116

Figure 94 Schma de la structure de commande implmente sur le FPGA ....................................................... 116

Figure 95 Module Z-SVM implment sur le FPGA utilisent le procd b) de programmation .......................... 118

Figure 96 Enchanement dvnements sur le FPGA et leurs temps dexcution (tEX) ........................................ 119

Figure 97 Schma de la structure de commande implmente sur le processeur (module CPU) ...................... 120

Figure 98 a) Courant de phase et courant homopolaire pour la stratgie 2 Niveaux ; b) Analyse spectrale du

courant de phase avec attnuation de 8.8 dB 10 kHz par rapport au fondamental ........................................ 121

Figure 99 a) Courant de phase et courant homopolaire pour la stratgie 3 Niveaux Simple Modulation ; b)

Analyse spectrale du courant de phase avec attnuation de 26.4 dB 10 kHz par rapport au fondamental .... 122

Figure 100 a) Courant de phase et courant homopolaire pour la stratgie 3 Niveaux Double Modulation ; b)

Analyse spectrale du courant de phase avec raie principale 20 kHz attnue de 32.4 dB par rapport au

fondamental ........................................................................................................................................................ 122

Figure 101 a) Courant de phase et courant homopolaire pour la stratgie Z SVM ; b) Analyse spectrale du

courant de phase avec composante 10 kHz attnue de 37.2 dB par rapport au fondamental ...................... 123

Figure 102 Attnuation du courant homopolaire la frquence MLI par rapport au fondamental gal 16.4 []

(0.8 pu en rgime nominal) ................................................................................................................................. 123

Figure 103 Attnuation du courant homopolaire la frquence MLI par rapport au fondamental gal 4.1 []

(0.2 pu en rgime nominal) ................................................................................................................................. 124

Figure 104 Rsultats exprimentaux utilisant la stratgie de contrle tension homopolaire nulle associe la

stratgie Z SVM : a) courants (filtrs) dans le repre de Park ; b) et c) tension de rfrence dans lespace dq ;

d) tension de rfrence dans lespace homopolaire ; e) vitesse mcanique ....................................................... 127

Figure 105 Rsultats exprimentaux utilisant la stratgie de contrle tension homopolaire nulle associe la

stratgie Z SVM : tension de rfrence dans lespace dq ; courant mesur et filtr dans lespace dq ; tension

de rfrence dans lespace naturel ..................................................................................................................... 128

Figure 106 Rsultats exprimentaux utilisant la stratgie de contrle courant homopolaire nul associ la

stratgie 3 Niveaux SM : a) courants (filtrs) dans le repre de Park ; b) et c) tension de rfrence dans

lespace dq ; d) tension de rfrence dans lespace homopolaire ; e) vitesse mcanique ................................... 130

Figure 107 Rsultats exprimentaux utilisant la stratgie de contrle courant homopolaire nul associe la

stratgie 3 Niveaux SM : tension de rfrence dans lespace dq ; courant mesur et filtr dans lespace dq ;

tension de rfrence dans lespace naturel ......................................................................................................... 131

Figure 108 Rsultats exprimentaux utilisant la stratgie de contrle courant homopolaire nul avec prise en

compte de la phase relative 13 et associe la stratgie 3 Niveaux SM : a) courants (filtrs) dans le repre

de Park ; b) et c) tension de rfrence dans lespace dq ; d) tension de rfrence dans lespace homopolaire ; e)

vitesse mcanique ............................................................................................................................................... 132

Figure 109 Rsultats exprimentaux utilisant la stratgie de contrle courant homopolaire nul avec prise en

compte de la phase relative 13 et associe la stratgie 3 Niveaux SM : tension de rfrence dans lespace

dq ; courant mesur et filtr dans lespace dq ; tension de rfrence dans lespace naturel .............................. 133

Figure 110 Comparaison des stratgies de contrle .......................................................................................... 134

Figure 111 SOGI Second Order Generalized Integrator ................................................................................... 143

Figure 112 Reprsentation graphique de Bode pour les signaux de sortie du SOGI .......................................... 143

Figure 113 Exemple de limplmentation de SOGI dans le cas de la dtection de lamplitude de la tension

homopolaire ........................................................................................................................................................ 144

Figure 114 Schma bloc pour le calcul du dphasage relatif entre lharmonique un et lharmonique trois ...... 144

Figure 115 Relevs de fem vide, mesure et reconstruite ............................................................................... 145

Figure 116 Analyse spectrale des harmoniques dans la fem vide regroups par machines fictives ............... 146

xiii

Figure 117 Valeurs moyennes des inductances dans le repre rotorique .......................................................... 146

Figure 118 Gain en couple par ampre efficace en fonction du taux dharmonique trois ................................. 147

Figure 119 Spectre harmonique du courant de phase pour la commande pertes Joule optimale pour une

rfrence de couple de 1 pu (normalisation par la valeur crte de courant de phase) ....................................... 148

Figure 120 Couple, courants dans le repre de Park et courants dans le repre naturel pour une machine

kFEM3=0.2 pu et FEM13= pilote en couple par ampre efficace maximal .......................................................... 149

Figure 121 Couple par ampre crte en fonction du taux dharmonique trois ................................................... 149

Figure 122 Pertes Joule en rapport la stratgie utilise pour la commande en couple par ampre crte

maximal .............................................................................................................................................................. 150

Figure 123 Couple, courants dans le repre de Park et courants dans le repre naturel pour une machine

kFEM3=0.2 pu et FEM13= utilisant une commande en couple par ampre crte maximal ................................... 150

Figure 124 Plan et les projections des vecteurs ............................................................................................ 151

Figure 125 Tension de rfrence dans le repre naturel (abc) et la projection associe sur le plan et sur la

droite homopolaire ............................................................................................................................................. 152

Figure 126 Formes donde dans le repre naturel pour une rfrence de tension gale la limite de type A1 ,

ralises avec cinq mthodes de surmodulation : gauche tensions homopolaires ; droite tensions de

phase [85] pour une rfrence maximale de lharmonique 1 pu ..................................................................... 152

Figure 127 Formes donde dans le repre naturel pour une rfrences de tension gale la limite de type I a ,

ralises avec cinq mthodes de surmodulation : gauche tensions homopolaires ; droite tensions de

phase [85] pour une rfrence maximale de lharmonique un ( 3/2 pu) ........................................................ 154

Figure 128 Saturation de type II b . gauche : tension de phase ; droite : spectre harmonique de la tension

de phase .............................................................................................................................................................. 155

Figure 129 Diagramme de lasservissement de courant .................................................................................... 157

Figure 130 REM dans la base naturelle de la MSAP ........................................................................................... 161

Figure 131 Squences positives et ngatives pour les repres des machines fictives ........................................ 162

Figure 132 Squences positives et ngatives pour les repres rotoriques des machines fictives ....................... 166

Figure 133 Schma du principe de validation du modle lectrique de lentranement : gauche configuration

exprimentale ; droite configuration simulation .............................................................................................. 170

Figure 134 Courants exprimentaux et simuls : gauche repre naturel ; droite repre de Park (machine M1)

............................................................................................................................................................................ 170

Figure 135 Courants exprimentaux et simuls dans le repre de Concordia : gauche - machine principale ;

droite machine homopolaire ............................................................................................................................... 171

Figure 136 Analyse spectrale des courants exprimentaux par rapport lanalyse spectrale des courants issus

des simulations .................................................................................................................................................... 172

Figure 137 Courant de phase et courant homopolaire pour la stratgie 2 Niveaux .................................... 173

Figure 138 Courant de phase et courant homopolaire pour la stratgie 3 Niveaux SM .............................. 174

Figure 139 Analyse des vecteurs utiliss pendant les stratgies de type 3 Niveaux et limpact sur le courant

homopolaire de haute frquence ........................................................................................................................ 174

Figure 140 Courant de phase et courant homopolaire pour la stratgie 3 Niveaux DM .............................. 175

Figure 141 Courant de phase et courant homopolaire pour la stratgie Z SVM .......................................... 176

Figure 142 Limpact des harmoniques supplmentaires (rsultats exprimentaux) .......................................... 177


tridimensionnelle ; projections dans une nouvelle base dcouple .................................................................... 180

Figure 144 Modulation de type 2 Niveaux zoom sur les vecteurs activs pendant une priode MLI ........ 181

Figure 145 Zoom sur les 6 ttradres accessibles avec la modulation 2 Niveaux ........................................ 181

Figure 146 Modulation de type 3 Niveaux SM/DM zooms sur les vecteurs activs pendant une priode MLI

............................................................................................................................................................................ 182

Figure 147 Zoom sur les ttradres accessibles lors de la modulation 3 Niveaux ........................................ 182

Figure 148 Modulation vectorielle Z-SVM zoom sur les vecteurs activs pendant une priode MLI ......... 183

xiv

Figure 149 Zoom sur lespace accessible de la machine fictive principale en fonction de la composante

homopolaire de tension ...................................................................................................................................... 184

Figure 150 Zoom sur lespace accessible de la machine fictive principale en fonction de la composante

homopolaire de tension et du dphasage relatif 13 nul ..................................................................................... 185

xv

Liste des tableaux

Tableau 1 Distribution des harmoniques par machines fictives en fonction du nombre de phases de la machine

[116] ...................................................................................................................................................................... 14

Tableau 2 Solutions courant maximal pour le courant de laxe d en fonction du quadrant couple vitesse ... 85

Tableau 3 Paramtres des machines pris en compte pour la simulation ............................................................. 87

Chapitre 1 Contexte tat de lart

1

1. Contexte tat de lart


2


3

e dveloppement durable tient compte de trois composantes : lcologique, lconomique et le

social. Ce terme, apparu en 1980, essayait de concilier ces trois modes par un dveloppement

conomique respectueux de lenvironnement tout en assurant un dveloppement socialement

quitable [1]. Dans le cadre de cette vision, le transport lectrique, contribuant ce type de

dveloppement, a fait lobjet defforts qui ont men des progrs scientifiques et technologiques

remarquables oprs pendant ces dernires deux dcennies.

La croissance en demande dnergie, laugmentation de la pollution et la diminution des ressources

mettent plus en importance la notion de dveloppement durable. Ainsi, la valeur des technologies

capables de matriser efficacement lnergie commence avoir de plus en plus un intrt dautant

plus si elles rpondent aux trois critres du dveloppement durable. Bien videmment, du point de

vue industriel, ces technologies ont besoin datteindre un niveau de maturit qui peut permettre une

matrise du cot.

1.1. Groupe motopropulseur pour lautomobile, limpact global

pour lconomie et lenvironnement

Le ptrole est la premire des nergies consommes dans le monde, avec environ un tiers du total

exprim en nergie primaire [2]. Il reste lnergie dominante dans le domaine du transport, bien

quentre 2011 et 2030 les prdictions envisagent une chute de 5% [3].

Pour arriver soutenir la demande de transport, des politiques dconomie dnergie ont t

instaures. Lconomie de carburant a t acclre au cours des dernires annes, tire par la

raction des consommateurs la politique de hausse des prix et des contraintes de pollution (comme

celle pour le CO2). Lamlioration apporte aux moteurs combustion interne et une hybridation

graduelle du vhicule permettent et vont permettre daccder aux gains defficacit de plus en plus

importants.

Ainsi, lefficacit nergtique dune automobile de taille moyenne a t amliore de plus de 20%

dans la dernire dcennie [4]. Durant cette priode, des amliorations du point de vue de la pollution

ont galement t enregistres. Concernant le rejet dmissions toxiques pour les espces vivantes

[5], entre 1990 et 2010 les principaux polluants qui contribuent l'acidification et la formation

d'ozone et de particules (NOx, CO, NMVOC, PM2.5)1 ont montr une tendance la baisse des

missions. En revanche les missions doxyde de soufre (SOx) sont montes suite laugmentation

des transports de type fret [4] terrestre ou maritime. Ce type de pollution affecte de faon locale la

population et la rduction de ces effets est soit par une rduction de lutilisation de la source qui la

gnre et/ou par le dveloppement des technologies post-traitement de filtrage catalytique.

Les missions de dioxyde de carbone (CO2) sont responsables, dans les proportions les plus

importantes, pour l effet de serre . Leffet de ce gaz nest pas directement ressenti par lindividu

mais il est responsable du rchauffement climatique [2]. Malheureusement, il est estim que ces

missions vont augmenter de 26% jusquen 2030 [3], le secteur de transport tant un des

responsables principaux en accord avec le secteur industriel.

1 NOX oxyde dazote ; CO monoxide de carbone ; NMVOC non-methane volatile organic compound ;PM2.5 (airborne particulate matter)

L


4

Dans ce contexte, la technologie hybride lectrique thermique permet de rpondre aux problmes

lis notamment aux consommations dnergie avec un rendement amlior et des missions des gaz

effet de serre matrises [7].

Diffrents taux dhybridation ont t signals. Ces taux dhybridation correspondent au rapport entre

la puissance lectrique et la puissance thermique utilise pour raliser le fonctionnement de traction

du vhicule. On retrouve ainsi les suivants termes : micro-hybride [6], mild-hybride et full-hybride.

On rappelle ce point que lhybridation dun vhicule peut tre mise en pratique sur diffrentes

topologies, parmi lesquelles :

La topologie hybride srie, offrant un rendement lev pour le moteur thermique et la

possibilit de freinage rcupration dnergie ;

La topologie hybride parallle, qui permet le downsizing du moteur thermique, la

rcupration de lnergie de freinage et un fonctionnement en mode boost et/ou

fonctionnement Start-Stop ;

La topologie hybride srie/parallle qui prsente des degrs de libert levs pour la gestion

du flux dnergie entre les sources de stockage.

ce stade, il est devenu conomiquement fiable dinvestir dans cette technologie, mais jusqu quel

point ? Les gains en rduction de gaz effet de serre et les gains nergtiques dpendent en grande

mesure de la technologie emprunte pour le moteur thermique. De la mme manire, lapplication

(le type de dplacement), la maintenance et lentretien aussi que le prix et la qualit du carburant

sont des acteurs importants qui peuvent agir sur le degr de performance du vhicule hybride.

Pourtant, lavenir du moteur thermique une fois que le ptrole atteint des prix

dextraction/exploitation prohibitifs devient incertain. Et, avec lui, la technologie hybride acquise

pendant ce temps risque dtre inutilisable. On se concentre ainsi sur la technologie dautomobile

100% lectrique indpendante de la ressource ptrole. Dans le cas de cette technologie, deux jalons

importants doivent tre surmonts :

le dveloppement des sources de stockage dnergie avec un cycle de production, une mise

en service, une maintenance, une dure de vie et un recyclage en accord avec les critres de

dveloppement durable, et

lintgration et le contrle des aspects lis aux interfaages avec les rseaux dnergie

lectrique et la prise en compte des Smart Grids en utilisant les capacits de stockage du

vhicule lectrique.

Le vhicule lectrique permet un taux defficacit locale lev et des avantages cologiques locaux.

La simplicit de la construction de la chane de traction qui est sans bote de vitesse et labsence dun

embrayage le rendent trs comptitif devant le vhicule thermique ou le vhicule hybride. Mais les

missions de CO2 provenant de la production d'lectricit, le cot des lments de stockage, la

ncessit du dveloppement des grandes infrastructures lectriques et ventuellement des moyens

de compenser la perte des recettes fiscales fournies par les combustibles posent encore des

obstacles devant cette technologie. Du point de vue technique, la sensibilit la temprature, le

volume et le poids importants pour les lments de stockage, leurs problmes de scurit (la haute

tension pour les batteries ou bien le rservoir hydrogne pour les piles combustible) demandent


5

encore des progrs scientifiques pour arriver aux niveaux de fiabilit prouvs par la technologie des

vhicules thermiques.

C'est dans ce cadre que Valeo, et notamment Valeo Powertrain Systems (PTS), dveloppe des

systmes de traction pour vhicules lectriques et hybrides. Parmi ces systmes, on compte le

systme SOFRACI qui intgre l'lectronique d'alimentation du moteur de traction, un chargeur

universel de batteries, compatible avec n'importe quel rseau monophas ou triphas [46], [47].

Cette brve introduction concernant les technologies de propulsion pour lautomobile nous permet

dintroduire le sujet de cette thse : contrle dun moteur lectrique pour une application au

vhicule lectrique. Nous allons voir que, en choisissant des topologies lectriques innovantes, un

certain nombre de dfis concernant la technologie lectrique pour la chane de stockage pour une

automobile peut tre relev. On arrive justifier conomiquement linvestissement dans cette

technologie devant les technologies thermique ou hybride, aspect qui semblait difficile raliser au

dbut des annes '90 [8]. Par contre, comme nous allons voir en parcourant cette thse, pour

rpondre aux critres de cot, les mthodes de conception et plus particulirement dans notre cas,

les solutions de contrle sont plus complexes.

1.2. Le projet SOFRACI

1.2.1. Prsentation du projet enjeux et verrous technologiques

Le projet SOFRACI adresse principalement la problmatique des vhicules lectriques avec une

source de stockage de type batterie, solution galement compatible pour les topologies hybrides de

type plug-in. En se concentrant sur le cas des vhicules lectriques, la batterie a un impact

substantiel sur le degr de pollution (pendant ltape de fabrication et de recyclage), sur le poids

total du vhicule, le volume employ dans le vhicule et sur son cot final. lheure actuelle, les

densits volumiques et massiques dnergie des batteries atteignent un niveau qui rend viable

lutilisation dun vhicule lectrique parcourant des distances entre 100 et 200 km par jour, avec

recharge la nuit. Pour des distances suprieures le problme de lautonomie demeure.

Plusieurs solutions ce problme se dveloppent. Lune delles est de remplacer la batterie avec une

pile combustible. La pile combustible est caractrise par un rapport nergie/poids qui peut tre

denviron 4 fois plus grand que celui des batteries Li-ion actuelles [115]. Ainsi, pour une mme

autonomie, un vhicule avec une pile combustible est bien plus lger mais plus volumineux quun

vhicule avec une batterie. Une autre solution consiste utiliser une batterie mais aussi un

gnrateur dnergie lectrique coupl avec un moteur combustion interne2. Cela permet

daugmenter lautonomie du vhicule, de rduire la taille de la batterie et de donner un sentiment de

scurit lutilisateur par rapport aux limites de ses trajets.

Le projet SOFRACI adresse le problme de lautonomie du vhicule lectrique. Concernant

lautonomie, deux aspects sont distinguer : lautonomie effective lie essentiellement la

quantit dnergie stocke dans la source dnergie et lautonomie apparente lie la disponibilit

du vhicule. Ainsi une vingtaine de kWh est ncessaire pour une autonomie entre 100 et 200 km

selon la taille du vhicule, le rendement de la chane nergtique et le type de trajet.

2 Solution appele range extender .


6

La disponibilit du vhicule est lie la puissance du systme qui permet lautomobile de retrouver

la quantit dnergie lie lautonomie effective. Ainsi la puissance dune pompe essence classique

avec un dbit de 0.165 l/s est de lordre de 6.4 MW (et aprs rapporte au rendement du moteur

thermique, la puissance utile est de lordre de 1.9 MW). La puissance de recharge sur prise 10-16A et

rseau 230 V monophas est de lordre de 2,3-3.7 kW. Retrouver 20 kWh ncessite alors entre 6 et 9

h [55] selon les rendements. Lextension de lautonomie apparente ncessite dutiliser des systmes

de recharge o il est possible de retrouver lautonomie initiale en une dure compatible avec les

besoins de lautomobiliste. En ce sens, trois solutions ont t dveloppes : les stations QuickDrop

[36], [37], les stations de recharge rapide et le chargeur rapide embarqu [38], [39], [40], [41],

[42].

Les stations QuickDrop permettent dchanger la batterie du vhicule dans un temps trs court

(moins de 5 minutes annonces). La batterie vide est remplace par une nouvelle qui a t charge

pralablement. Cette solution prsente des potentialits non ngligeables en termes de stabilit du

rseau lectrique (car les batteries peuvent tre charges en dehors des priodes de consommation

maximale). Pour linstant, cette approche montre linconvnient dune infrastructure lourde en cot

dinvestissement si on se place dans le cadre dun dbit significatif automobile par heure comparable

celui dune station essence classique.

La station de recharge permet la recharge de la batterie dans un temps rduit grce aux chargeurs

courant continu (DC) de haute puissance prsents dans la station. Malgr ses points forts, la fiabilit

et lavenir de cette solution dpendent, en grande partie, de la distribution et la standardisation des

niveaux de tension des batteries (nombres de cellules) et de ce type de bornes de recharge dont le

cot est alors lev.

Lutilisation du chargeur de haute puissance (20 ou 43 kW) embarqu dans lautomobile demande

encore du volume, du poids et des cots supplmentaires prendre en compte. Par contre le

branchement sur le rseau de puissance courant alternatif est plus facile car des standards

internationaux sont dj en vigueur. Le point de recharge est ainsi une simple prise de puissance

entoure par quelques lments de protection : le cot de cette borne de recharge est alors bien

plus faible que celui dune borne de recharge DC. Par contre, pour que la solution soit comptitive, il

faut pouvoir rduire le cot, le poids et le volume du systme assurant la fonctionnalit de la

recharge forte puissance au sein du vhicule. Or la puissance de traction classique requise est du

mme ordre de grandeur que celle permettant dassurer une recharge rapide. Par consquent, lide

dutiliser la chane nergtique de la chane de traction afin de raliser la fonctionnalit recharge est

vidente. Diffrents brevets ont t dposs en ce sens [46], [47], [48], [49], [50], [51], [52], [53],

[54].

1.2.2. Structure innovante SOFRACI et objectifs

La structure machine utilise est prsente dans la Figure 1 a) et la structure onduleur machine

[46], [47] dans la Figure 1 b). La machine est caractrise par trois phases indpendantes. Chaque

phase est constitue dune bobine point milieu connecte une structure de type pont en H,

londuleur ainsi constitu comportant donc six bras. En mode chargeur, lalimentation (triphase sur

la figure) sopre via les points milieux des bobines de phase. Chaque phase comporte deux demi-

bobines couples magntiquement entre elles de telle faon quen mode chargeur, les flux


7

magntiques crs par les courants traversant les demi enroulements se compensent assurant un

champ magntique nul (et ainsi un couple nul) dans la machine.

wvuycbakI

II

Iy

ky

k ,,,,,2

,2

' (1)

partir de ce mode de fonctionnement, les lments dlectronique de puissance et les

enroulements de la machine peuvent tre dimensionns pour un courant gal la moiti du courant

de ligne du rseau. Londuleur de tension fonctionne alors en rgime de redresseur.

Figure 1 Structure SOFRACI

Lavantage de cette topologie, contrairement [42], est labsence de couple3 pendant la phase de

recharge. Aucun systme mcanique complmentaire de type embrayage na tre install. Cela

permet de rduire le volume de lentranement. Labsence des composants mcaniques, comme

lembrayage, augmente ainsi la fiabilit et la simplicit de construction de la structure. Contrairement

aux [48], [49], [50], [54], une charge de haute puissance triphase est possible avec la topologie dans

la Figure 1 sans apporter dautres modifications.

Pour passer en mode traction, aucun contacteur lectromagntique nest ncessaire, contrairement

[50], [54]. En mode traction, les points milieux sont isols et un courant unique traverse les

enroulements. Dans ce cas, le couple gnr par les deux demi-enroulements sajoute et ainsi un

couple non nul est appliqu larbre de la machine.

cbakII kk ,,,0 ' (2)

En mode traction, la totalit de la tension continue peut tre applique aux bornes de la machine

suite lutilisation du pont en H. Le courant dans la phase peut tre minimis et des pertes de

commutation des lments semi-conducteurs sont rduites. Dautres avantages concernent les

pertes dans llectronique de puissance ; les rendements sur des cycles de fonctionnement sont

prsents dans [43], [44], [45].

3 La prsence dun ventuel lger dsquilibre dans les courants de phase de chaque demi-enroulement peut provoquer du faible couple avec une pulsation alatoire qui gnre du bruit.

C

S1A

S2A

S1A

S2A

S1B

S2B

S1B

S2B

S1C

S2C

S1C

S2C

aa

BVDC

Ia

Va Vb Vc

bb cc

Ib Ic

a b c

Ia Ib Ic

Iu Iv Iw

va Va vb Vb vc Vc

u v w

N

bb

a

a

c

c

a b c

b)a)


8

Bien entendu, un inconvnient apparent de cette structure par rapport une structure triphase de

traction classique est la multiplication par deux du nombre de bras. En se limitant un bilan

comptable simple, il pourrait apparatre que le cot de cette structure est le double de celui dune

structure de traction classique. ce niveau il faut tenir compte du fait que dans des structures de

puissance, le cot est plus li la puissance apparente ncessaire quau nombre de circuits. Or cette

structure avec trois ponts en H requiert, tension de bus identique, un courant moiti pour chaque

bras pour dlivrer une puissance identique la machine. La puissance de dimensionnement de

chaque bras sera approximativement moiti de celle dune structure triphase classique. En oubliant

le surcot li la multiplication par deux des composants lectroniques de commande des bras, le

cot global devrait donc tre sensiblement identique celui dune structure triphase classique.

Concernant le fonctionnement en mode traction, le dsavantage de cette structure est la prsence

dun courant homopolaire qui peut circuler dans les trois enroulements alors que cela est vit

structurellement avec une connexion en toile. Gnralement, on associe la prsence de ce courant

homopolaire des pertes Joule supplmentaires et dventuelles pulsations de couple dans le cas

dune fem comportant un harmonique de rang trois. Par consquent, le contrle du courant

homopolaire dans une telle structure est ncessaire. Il faudra donc, lors de la conception de la

machine, tenir compte de la prsence dun nouveau circuit lectrique dont linductance peut tre

diffrente de linductance cyclique dune machine triphase classique. En effet, cette inductance

homopolaire dfinit une nouvelle constante de temps elle-mme rgissant les dynamiques du

courant homopolaire. Il sera ncessaire den tenir compte dans le choix de la priode de hachage

ainsi que dans celui des mthodes de modulation de largeur dimpulsion et des structures de

contrle associes [43], [44].

Il est noter quun troisime mode de fonctionnement mixte est possible en connectant un

systme quilibr sans neutre sorti supplmentaire aux bornes des points milieux lors du

fonctionnement en mode traction. On utilise alors cinq (ou six) degrs de libert offerts par les six

bras donduleur pour piloter deux charges triphases. Ce systme peut tre par exemple un moteur

auxiliaire utilis pour un accessoire dans le vhicule (la climatisation ou un ventilateur). Le flux

dnergie, qui traverse londuleur six bras, est rparti ainsi entre le moteur de traction et le moteur

daccessoire.

wvuycbakIII kky ,,,,,' (3)

Enfin, le fonctionnement en rgime dgrad est aussi possible, en alimentant uniquement deux

phases de la machine.

Dans la Figure 2 une machine prototype ainsi que londuleur de tension associ sont prsents. La

machine a un bobinage statorique concentr autour des dents, qui comporte un ensemble de 12

enroulements en raison de 4 enroulements par phase. Un couplage possible pour le bobinage est

prsent dans [45]. Les aimants au nombre de 8 sont positionns de faon radiale. Des dtails

supplmentaires sur les performances et caractristiques du prototype sont proposs dans lAnnexe

6.2.


9

Figure 2 Moteur et Onduleur de tension utiliss pour lapplication SOFRACI

Le contrle de la composante homopolaire reprsente lobjectif principal de notre travail. travers

cette thse, nous allons tudier les contraintes imposes par lutilisation des trois phases

indpendantes et leurs impacts sur les performances de lentranement. Un modle pour londuleur

de tension six bras et pour la machine trois phases indpendantes va tre propos. Nous allons

alors explorer au chapitre 2 les stratgies de pilotage donduleur capables de grer la composante

homopolaire. Ensuite, la premire partie du chapitre 3 se focalisera sur les stratgies de commande

qui permettent lutilisation de la composante homopolaire comme un degr supplmentaire pour

amliorer les performances de lentranement lectrique. Dans la deuxime partie de ce chapitre, le

fonctionnement la limite de saturation en tension et ainsi le fonctionnement en dfluxage pour une

machine trois phases indpendantes sera tudi. Enfin, le chapitre 4 sera consacr aux essais

exprimentaux raliss sur le prototype de faible puissance (11 kW) permettant de valider les

modles par comparaison aux rsultats obtenus par simulation.

1.3. Machines trois phases indpendantes

Caractrise par labsence du couplage lectrique entre les phases, la machine trois phases

indpendantes est la premire configuration qui peut tre admise comme machine polyphase,

appellation classiquement utilise pour les machines plus de trois phases. Si le nombre de phases

ne permet pas de justifier cette appellation, cest le nombre de degrs de libert qui motive

lappellation de machine polyphase . Par rapport une machine triphase avec une topologie

classique, labsence du couplage permet davoir accs trois courants indpendants.

En utilisant les proprits physiques des machines lectriques de symtrie et de rgularit spatiale de

construction, des transformations algbriques comme celle de Concordia permettent de dfinir une

quivalence de ces trois courants indpendants avec deux courants en quadrature et un courant

associ la composante homopolaire.

Dans une machine triphase, la composante homopolaire est associe une famille dharmoniques

constitus des multiples de trois (3, 9, 15, etc.). Nous allons considrer ces harmoniques comme

tant des harmoniques de basse frquence . On rappelle ce point que la prsence du courant

homopolaire est gnralement associe des pertes Joule supplmentaires. De mme, ce courant

Capteur decourant

IGBT et module de commande

Bus DCAimantsBobinage statorique concentr

AL

AL

ARAR

BL

CL

BR

CRBL

CL

BR

CR


10

est galement responsable des pulsations de couple suite linteraction avec une possible force

lectromotrice homopolaire. Ainsi, un flux dnergie li au courant homopolaire, doit tre contrl.

part le courant homopolaire basse frquence , une autre composante de courant homopolaire

existe du fait de lalimentation par onduleurs de tension en Modulation en Largeur dImpulsions.

Nous allons associer cette composante de courant lappellation haute frquence car elle est

caractrise par les frquences de commutation des interrupteurs.

Par rapport une machine triphase neutre isol, la structure de commande pour la topologie

indpendante est plus complexe. La structure de commande doit comporter un module

supplmentaire pour la composante homopolaire. Une partie doit prendre en charge la composante

de basse frquence. On contrle ainsi le flux dnergie homopolaire et les pertes Joule, ainsi que les

pulsations de couple associes. Lautre partie, oriente sur la haute frquence, contrle par les

techniques de modulation, a un impact sur la valeur instantane de la composante homopolaire.

Celle-l est associe avec les pertes Joule dues au courant de haute frquence mais a aussi un impact

sur le choix du calibre des interrupteurs.

1.3.1. Travail et positionnement hors laboratoire

Les machines aimants permanents sont utilises dans un nombre lev dapplications suite une

densit de puissance et de couple leves, un bon rendement [32]. Par contre, un fonctionnement

puissance constante ncessitant un dfluxage de la machine est moins naturel que dans les

structures o la magntisation de la machine est due soit un courant dexcitation (synchrone

rotor bobin) soit une composante du courant statorique (machine induction, rluctance). Il est

en effet ncessaire dans le cas des machines aimants dinjecter une composante de courant

statorique afin de rduire le flux d aux aimants permanents.

Nanmoins, limportance des premiers avantages de compacit et de rendement ont conduit

dvelopper des structures de machines aimants permanents qui possdent, moyennant une

commande adapte, une large plage de vitesse puissance constante. Ainsi, les machines aimants

permanents peuvent rpondre aux critres imposs pour la traction lectrique [33].

En revanche, laugmentation de la plage de vitesse en considrant uniquement un fonctionnement

en mode de dfluxage nest pas la seule solution. Dautres approches consistant utiliser des

onduleurs de tension plus de trois bras sont galement explores. Avec laugmentation trs

importante ces trois dernires annes du cot des aimants permanents, notamment ceux de Terres

Rares supportant les tempratures leves et les contraintes de dmagntisation prsentes en mode

dfluxage, ces structures, potentiellement plus coteuses au niveau de londuleur, deviennent

particulirement intressantes.

On distingue dans ce domaine deux types de structures selon la prsence dune seule ou de deux

sources de tension indpendantes.

Dans les structures deux sources de tension indpendantes [11], [12], [20], [17], [18], [31]

galement appeles structures en cascade, chaque phase est alimente par deux bras chacun tant

connect une source de tension indpendante. Dans cette configuration il ne peut y avoir de

courant homopolaire qui circule et il y a seulement deux courants indpendants : lintrt est de

pouvoir utiliser des sources de tension de nature diffrente avec les mmes algorithmes que dans le


11

cas triphas classique. Cela permet galement de se prmunir de la dfaillance dune des deux

sources et de dfinir des algorithmes utilisant une seule ou deux sources de tension simultanment.

Les autres structures comportant quatre bras ou six bras utilisent une seule source de tension. Un

courant homopolaire peut alors circuler et il faut donc le contrler. Ces structures rpondent, outre

la possibilit dtendre la plage de tension, une motivation plus ancienne, pour lutilisation de

machines trois phases indpendantes, qui est celle de la tolrance aux pannes, requise

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