Analyse des performances et commande d'une SRM utilisée en alterno-démarreur pour véhicules

Abstract

Notre travail consiste à l’étude des performances en moteur et génératrice d’une machine à réluctance variable à double denture appelée SRM en vue d’une application en alterno/démarreur pour véhicule. Avec le développement de l’électronique de puissance et l’émergence des techniques modernes de commandes, on a constaté au cours de ces dix dernières années, un regain d’intérêt pour ce type de machine qui possède des qualités indéniables en termes d'économie et de robustesse. Toutefois, la nature ondulée du couple et le bruit acoustique élevé, limitent le domaine d’utilisation de ce type de machine. Cependant, ces inconvénients ne se posent pratiquement pas dans l’application alterno/démarreur, vu que le mode moteur n’est appliqué que pour une très courte durée de démarrage. Notre approche dans cette étude consiste en un premier temps à une modélisation électromagnétique de la SRM, afin de relever les différentes caractéristiques statiques par la méthode des éléments finis en utilisant le logiciel FEMM. Cette méthode sera validée par un modèle analytique linéaire de calcul des inductances pour les zones d’alignement et de non alignement. Par suite, deux modèles sont proposés pour l’étude de la dynamique de la SRM, un modèle linéaire comme première approximation, qui sera ensuite corrigé par un modèle non linéaire. Ce modèle requiert une connaissance des valeurs du couple et de l’inductance pour chaque courant et position. Pour ce faire, une interpolation a été mise au point par deux méthodes numériques en l’occurrence, cubic spline et réseau de neurones. Le travail réalisé est présenté en cinq chapitres: Le premier chapitre est consacré à la présentation de la SRM associée à son alimentation et sa commande. Ainsi, les structures les plus connues sont présentées, les équations de fonctionnement sont décrites et ses performances par rapport aux autres machines sont mises en évidence. De plus, le principe de production de couple électromagnétique est clairement décri, suivi de la caractéristique de couple-vitesse. Par ailleurs, les deux stratégies d'alimentation utilisées, ainsi que quelques structures des convertisseurs sont présentées. Le principe de commande de la SRM, ainsi que les techniques pouvant être utilisées, sont présentés en fin de chapitre. Le deuxième chapitre concerne l'intégration d'une SRM en alterno/demarreur. Le fonctionnement classique de l’alternateur démarreur dans le véhicule conventionnel, est présenté, en premier lieu. La solution de l'alterno/démarreur, suivie du choix de la machine répondant aux exigences de l'application, est décrite dans la deuxième partie. Les conditions de choix et d'intégration d'une SRM triphasée 12/8 pour cette application sont présentées en fin de chapitre. Le troisième chapitre concerne la détermination des caractéristiques statique de la SRM 12/8 (flux ψ(θ,i), inductance L(θ,i) et le couple statique C(θ,i)) qui sont indispensables pour l’étude du fonctionnement dynamique de la machine. La méthode consiste à la modélisation électromagnétique à partir des équations de Maxwell et de la résolution de l'équation de poisson par la méthode des EF à travers le logiciel FEMM La solution du problème nous permettra de déterminer les caractéristiques magnétiques: Flux, inductance et couple statique en fonction de la position pour différentes valeurs de courants. Ces caractéristiques seront validées par les résultats obtenus par une méthode analytique. Le quatrième chapitre est consacré à la modélisation du système de commande de la SRM fonctionnant en moteur et générateur, en utilisant l'environnement MATLAB et MATLAB/Simulink. Deux modèles ont été établis: un modèle dit "linéaire" basée sur un modèle linéaire de l'inductance, et un modèle dit "non linéaire" qui tient compte des non linéarités introduites par la structure de la machine et la saturation du circuit magnétique. Les deux modèles utilisent les caractéristiques magnétiques obtenues par EF. Dans le modèle linéaire l'inductance est approximée par une forme trapézoïdale en fonction de la position, et invariable par rapport au courant, alors que, dans le modèle non linéaire, les caractéristiques magnétiques déterminées par EF sont utilisées: ce sont les caractéristiques de flux et de couple en fonction de la position et du courant. La simulation utilisant ce modèle nécessite une interpolation de ces deux caractéristiques. Deux fonctions d'interpolation sont alors, proposées: une interpolation cubic spline et une fonction à régression généralisé (GRNN) basée sur le principe des réseaux de neurones. Dans le cinquième chapitre, la simulation du comportement de la SRM pour les fonctionnements générateur et moteur, ainsi que le fonctionnement alterno/démarreur est effectuée en utilisant les deux modèles linéaire et non linéaire proposés au chapitre précédent. Cette simulation nous permet d'évaluer, les performances des techniques d'interpolation utilisées et de les comparer, et de mettre en évidence les performances de la SRM dans cette application.