Contrôle direct du couple d'une machine asynchrone alimentée par des onduleurs multi-niveaux

Abstract

Grâce au développement de l’électronique de puissance et de l’électronique de commande, il est aujourd’hui possible d’obtenir des machines asynchrones aussi performantes que des machines à courant continu. Ainsi, une nouvelle structure de contrôle destinée aux applications type traction électrique sans capteurs mécaniques est étudiée, il s’agit du Contrôle Direct du Couple. Cette technique présente de nombreux avantages par rapport à la structure classique de commande vectorielle par flux orienté (FOC). En effet alors que cette dernière nécessite généralement trois boucles de régulation, un générateur de courant à MLI et des transformations de coordonnées, la DTC n’exige qu’une paire de comparateurs à hystérésis pour effectuer un contrôle dynamique du flux et du couple. L'objectif de cette thèse est l'étude d'une nouvelle structure du contrôle sans capteur mécanique de la machine asynchrone pour un entraînement électrique avec une source de tension multi-niveaux. Nous proposons une extension du concept de Commande Directe de Couple (DTC) d'une machine asynchrone, cette extension porte sur la génération du vecteur tension appliqués à la machine alimentée par des onduleurs multi-niveaux. Alors, l'amplitude et la vitesse de rotation du vecteur flux peuvent être contrôlées librement. Haute dynamique du couple et des tables de commutation optimales peuvent être obtenues, la sélection adéquate des vecteurs tension est basée sur la valeur du flux statorique et du couple. Dans une autre partie, une optimisation de l'algorithme DTC à trois niveaux a été effectuée sur la base de la logique floue. Dans cette thèse, nous avons proposé des solutions aux problèmes d'équilibrage des tensions rencontrés dans les onduleurs à trois niveaux à structure NPC à savoir une chaîne d'asservissement de ces tensions et l'introduction d'un pont d'équilibrage à l'entrée de l'onduleur. Dans la continuité de ce travail, un estimateur de la résistance statorique à base de la logique floue a été proposé pour adapter en temps réel ce paramètre qui est fondamental dans la DTC. En plus, nous avons proposé une structure du contrôle à base de DTC pour une machine asynchrone à double stator alimentée par des onduleurs à deux niveaux et à trois niveaux. Des simulations sont effectuées pour valider chaque approche développée. Les résultats obtenus se traduisent par de meilleures performances dynamiques du couple et du flux sans le recours à un capteur mécanique. Pour atteindre ces objectifs, nous organisons notre travail en plusieurs parties: En premier lieu, nous présentons la commande vectorielle à flux rotorique orienté comme élément de comparaison afin de mieux percevoir les avantages présentés par la structure proposée. Le deuxième chapitre, est consacré au principe du contrôle direct du couple avec orientation du flux. Une synthèse des différentes stratégies de contrôle y sont présentées et analysées. Dans le troisième chapitre, nous présentons une nouvelle approche de la commande directe du couple qui permet d’améliorer la stratégie de commutation des contrôleurs de flux et de couple de la machine asynchrone alimentée par un onduleur à trois-niveaux à structure NPC. Dans cette partie, différentes approches de contrôle y sont proposées et validées par des simulations numériques. Ensuite dans le quatrième chapitre, un nouveau formalisme de contrôle direct du couple basé sur la logique floue est présenté pour la machine asynchrone alimentée par un onduleur à trois-niveaux à structure NPC. Nous donnons le principe de cette approche et nous conclurons sur les performances. Le cinquième chapitre est consacré à l'étude de la sensibilité de la commande. Nous présentons une analyse des problèmes de l'établissement du flux et du couple, l'influence du terme résistif en particulier à très basse et moyenne vitesses sur les performances de la structure de commande. Par ailleurs, dans la continuité du concept flou, nous proposons une méthode d'adaptation par une estimation floue de la résistance statorique. Dans une dernière partie, les performances de la structure de commande directe du couple seront améliorées en tenant compte du problème d’équilibrage des tensions continues à l’entrée de l’onduleur à trois-niveaux. Pour cela, on propose une structure générale en associant la machine à son alimentation, et dans la quelle les interactions onduleur-machine sont plus finement étudiées. Dans le sixième chapitre, on verra une nouvelle approche du contrôle directe du couple de la machine asynchrone alimentée par un onduleur à cinq-niveaux à structure NPC. En effet, le domaine d’application de forte puissance et grande tension exige une alimentation de plus en plus grande, la continuité d’une investigation concernant le concept DTC nous a mené a proposer une approche pour ce type d’onduleur. Ainsi, nous allons valider l’algorithme développé pour cet onduleur par des simulations numériques. Dans le dernier chapitre, compte tenu de la haute dynamique du couple de la structure DTC obtenue par les différents algorithmes que nous avons proposés, on envisage dans cette partie l’application de ces derniers pour commander une machine à double stator. Ainsi, nous allons montrer la faisabilité de l’application des algorithmes DTC à ce type de machine qui répond bien au besoin d’une application de forte puissance, nous allons développer un modèle simplifié sur le lequel nous évaluerons nôtre stratégie de contrôle avec un onduleur à deux niveaux et à trois niveaux. Nous terminons notre travail par une conclusion générale.