Année 2016 N° d'ordre: UNIVERSITÉ DE HAUTE-ALSACE, MULHOUSE ÉCOLE DOCTORALE MSII (ED 269) LABORATOIRE MIPS (EA 2332) THÈSE présentée par Phuoc Hoa TRUONG pour obtenir le grade de Docteur de l'Université de Haute-Alsace Discipline : « Electronique, Electrotechnique et Automatique » Optimisation des performances de la machine synchrone à réluctance variable: approches par la conception et par la commande Arrêté ministériel du 24 août 2006 Soutenue publiquement le 16 Juin 2016 devant le jury composé de: Eric MONMASSON Professeur, Université de Cergy Pontoise Président Maurice FADEL Professeur, Université de Toulouse Rapporteur Xavier KESTELYN Professeur, Arts et Métiers ParisTech de Lille Rapporteur Damien FLIELLER MCF, INSA de Strasbourg Examinateur Ngac-Ky NGUYEN MCF, Arts et Métiers ParisTech de Lille Examinateur Jean MERCKLÉ Professeur, Université de Haute Alsace Directeur Remerciements Le travail présenté dans ce mémoire a été effectué grâce à une collaboration entre l'équipe TROP du laboratoire MIPS ( Modélisation Intelligence Processus et Systèmes ) de l'Université de Haute Alsace et l'équipe ERGE (Équipe de Recherche en Génie Électrique ) du laboratoire GREEN ( Groupe de Recherche en Électrotechnique et Électronique de Nancy ) située à l'INSA de Strasbourg. Je tiens à remercier le plus profondément possible le Professeur Jean Mercklé, mon directeur de thèse, de m’avoir accueilli dans son laboratoire et avoir dirigé cette thèse. Ses précieux conseils m’ont permis de progresser tout au long de ce travail de recherche. Qu'il trouve ici l'expression de mon respect et de ma profonde reconnaissance.
Je tiens sincèrement à remercier Damien Flieller, mon encadrant à l'INSA de Strasbourg. Damien Flieller est à l'origine des développement scientifiques de ce travail. Il m'a donné beaucoup d'idées et de conseils scientifiques. De plus il n'a jamais compté ses heures pour m'aider.
Un grand merci à Ngac Ky Nguyen, mon encadrant à l'ENSAM de Lille. C'est grâce à lui que j'ai pu faire ce travail de Doctorat en France. Ses discussions et ses conseils scientifiques me donnaient toujours des idées nouvelles pour enrichir les travaux de recherche. Je remercie Monsieur Eric Monmasson, Professeur à l'Université de Cergy Pontoise pour avoir accepté d’examiner cette thèse et m’avoir fait l’honneur le président du jury.
Je voudrais également remercier Monsieur Maurice Fadel, Professeur à l'Université de Toulouse et Monsieur Xavier Kestelyn, Professeur à l'Université Arts et Métiers ParisTech de Lille, pour avoir accepté de juger ce travail en qualité de rapporteurs. Je remercie tous les membres dans le labo Électrotechnique à l'INSA de Strasbourg: Guy Sturtzer, Ayman Blorfan, Mickael Mbarki, Jérome Hugel pour l'ambiance familiale qu'ils ont créer. Je remercie Monsieur Christophe Cudel, Bruno Colicchio, Salvatore Strafella à IUT de Mulhouse, d'avoir reporté mes heures de cours pour me laisser le temps de rédiger. J'adresse mes remerciements à mes parents.
Ils m’ont toujours soutenu tout au long de mes études. Qu’ils trouvent dans ce manuscrit toute ma reconnaissance et le signe que je suis enfin arrivé au bout malgré les difficultés. Enfin, ces dernières lignes s’adressent à la femme qui partage ma vie, Ngan NGO, merci pour ton soutien indéfectible, tes encouragements dans les moments difficiles. Merci aussi ma fille Thao TRUONG qui est le moteur de ma vie.
ii Glossaire Symbole Signification Unité p Nombre de paires de pôles a,b,c Repère a-b-c d,q Repère d-q ia , ib , ic Courants de phase a,b,c A 1 ih ia ib ic Courant homopolaire A 3 I I rms Courant efficace d'une phase du stator A va , vb , vc Tensions de phase a,b,c V a , b , c Flux de phase a,b,c Wb d ds Flux de l'axe d Wb q qs Flux de l'axe q Wb s ds 2 qs 2 Flux statorique Wb m Position mécanique rad Rs Résistance d'une phase du stator Ri R fe Résistance associée aux pertes fer Ri es Résistance des pertes fer estimée Cem Couple électromagnétique N.m Cref Couple électromagnétique de référence N.m CN Couple nominal N.m P(p ) Matrice de la transformée de Park T32 et T31 Matrices de la transformée de Concordia R p Matrice de rotation d'angle p iii vds , vqs Tensions dans le repère d-q V Vecteur des tensions, courants et flux dans le v, i, ψ V, A, Wb repère a,b,c L(p ) Matrice des inductances statoriques H La ,Lb ,Lc Inductances propres des phase a,b,c H M ab , M ac , M bc Inductances mutuelles entre phases H L0 Valeur moyenne de l’inductance propre H Amplitude de l’harmonique d’inductance propre L2 H de rang 2 M0 Valeur moyenne de l’inductance mutuelle H Amplitude de l’harmonique d’inductance M2 H mutuelle de rang 2 id ids Courant d'axe d A iq iqs Courant d'axe q A imd = idT Courant magnétisant d'axe d A imq = iqT Courant magnétisant d'axe q A ima Courant magnétisant de la phase a A idI , iqI Courants associés aux pertes fer d'axe d,q A Ld Ld app Inductance apparente d'axe d H Lq Lq app Inductance apparente d'axe q H Ld inc , Lq inc Inductances incrémentales d'axe d,q H Ld es , Lq es Inductances d'axe d, q estimées H Rapport de saillance Cch Couple de charge N.m e m Vitesse mécanique du rotor rad/s p iv e Pulsation électrique rad/s PJ Pertes par effet Joule W PF Pertes fer W Jm Moment d’inertie kg.m2 Bm Coefficient de frottements visqueux Angle de courant rad Rendement % , 1 , 2 , '1 , '2 Multiplicateurs de Lagrange L 1 , 2 , 3 Valeurs propres de la matrice L VP1 , VP 2 , VP 3 Vecteurs propres de la matrice Valeurs propres de la matrice '1 , '2 L R T T32T T32 R Vecteurs propres de la matrice V ' P1 , V ' P 2 L R T T32T T32 R , , Angles d'Euler rad i opt 1 , i opt 2 Courants optimaux dans le repère a,b,c A i opt0 Courants quasi-optimaux dans le repère a,b,c A xyz Repère x,y,z x' y'z' Repère x',y',z' x '' y '' z '' Repère x",y",z" ABC Repère A,B,C ( , , ) Matrice de rotation des angles d'Euler W Matrice des poids ADALINE v Vecteurs optimaux associés aux courants K opt 1 , K opt 2 optimaux i opt 1 et i opt 2 Rrotor Rayon du rotor m g Epaisseur d’entrefer m Ns Nombre de spires par encoche Ne Nombre d’encoches Raxe Rayon de l'axe du rotor m Rexterne Rayon du stator m hbobine Hauteur du bobinage m en Ouverture d’encoche m Ldent Longueur de dent m K wq Ratio d'isolation FPmax Facteur de puissance maximal Envergure polaire rad p Pas polaire rad vi Acronymes ADALINE ADAptive LInear NEuron DSP Processeur de signal numérique (Digital Signal Processor) DSF Décomposition en Séries de Fourier DTC Commande directe de couple (Direct Torque Control) FEM Méthode des éléments finis ( Finit Element Method) FFT Transformée de Fourier rapide (Fast Fourier Transform) IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor LMS Moindres carrés (Least Mean Square) MAS Machine ASynchrone MLI Modulation de Largeur d’Impulsion MLP Perceptron Multicouche (Multi Layer Perceptron) MIPS Modélisation Intelligence Processus Systèmes MSRV Machine Synchrone à Réluctance Variable MSAP Machine Synchrone à Aimants Permanents MTPA Couple maximum par ampère (Maximum Torque per Ampere) PI Proportionnel-Intégral RN Réseau de Neurones SVM Modulation de largeur d’impulsion vectorielle (Space Vector Modulation) THD Taux de Distorsion Harmonique VSI Onduleur de tension (Voltage Source Inverter) vii Table des matières Remerciements. iii Table des matières. viii Introduction générale. Structure et modélisation de la machine synchrone à réluctance variable.
Machine synchrone à réluctance variable (MSRV). Histoire du développement de la MSRV. Les différentes structures du rotor d’une MSRV. Choix d'une structure.
Rappel du modèle classique de la MSRV. Modèle de la machine dans le référentiel a-b-c. Modèle de la machine dans le référentiel d-q. Diagramme vectoriel en régime permanent.
Comparaison des machines: MSRV, MAS et MSAP. Performances de la MSRV d'essais. Mesure les inductances propres et mutuelles. Effets de saturation magnétique.
Conclusion et objectifs. Commande de la MSRV avec des courants sinusoidaux; prise en compte de la saturation, de l'effet croisé et des pertes fer. Commande à rendement optimal. Calcul des courants optimaux basé sur la méthode de Lagrange.
Estimation des paramètres de la machine par calcul de champ. Estimation des paramètres de la MSRV basée sur des réseaux de neurones. Résultats de simulation. Commande à couple maximum par ampère (MTPA).
Calcul des courants optimaux sinusoïdaux pour réaliser la stratégie MTPA. Résultats de simulation. Mise en œuvre de certaines techniques neuromimétiques pour la réduction des ondulations de couple de la MSRV alimentée avec des courants non sinusoidaux. Réduction des ondulations du couple de la machine synchrone: état de l'art.
Modélisation d’une machine synchrone à réluctance variable non sinusoïdale. Différentes approches de calcul des courants optimaux et quasi optimaux. Première approche: la solution quasi optimale à id iq et ih 0. Deuxième approche: la solution optimale avec courant homopolaire non nul.
Expression analytique des valeurs propres. Expression analytique des vecteurs propres à partir des angles d’Euler. Expression numérique des angles d'Euler. Expression analytique des angles d'Euler.
Machine sans mutuelle. Machine avec n phases. Machine avec n phases avec défaut. Troisième approche: la solution optimale sans courant homopolaire.
Quatrième approche: la solution sinusoidale. Discussion sur les quatre approches. Résultats de simulation. Machine avec des indutances sinusoidales et M 2 L2.
Machine avec des indutances sinusoidales et M 2 L2. Machine avec des inductances mutuelles nulles : cas de la MRVDS. Machine avec des inductances non sinusoidales. Machine A avec des inductances propres et mutuelles non sinusoïdales.
Machine B avec des inductances propres non sinusoïdales et mutuelles sinusoïdales. Commande neuronale en couple de la MSRV. Structure des réseaux de neurones ADALINE. Commande neuronale en couple de la MSRV.
Cas sans prise en compte du courant homopolaire. Cas avec prise en compte du courant homopolaire. Machine A avec des inductances propres et mutuelles non sinusoïdales. Machine B avec des inductances propres non sinusoïdales et mutuelles sinusoïdales.
Commande neuronale en couple sans courant homopolaire. Commande neuronale en couple avec courant homopolaire. Commande neuronale de la vitesse. Optimisation des performances de la machine synchrone à réluctance variable (MSRV) par la conception.
Optimisation des performances de la MSRV par la conception: Introduction. Influence des paramètres géométriques du rotor sur les performances de la MSRV. Stratégie de conception du rotor de la MSRV. Effet du ratio d'isolation K wq.
Nombre de barrières. Effet d'envergure polaire sur pas polaire. Dimension de la nervure et du pont. La forme des barrières.
Amélioration de la conception de la MSRV. Réduction l’ondulation du couple basées sur la position des barrières. Technique d'inclinaison du rotor pour réduire les ondulations du couple. Proposition d'une MSRV optimisée.
Comparaison de la performance pour deux structures du rotor. Caractérisation de la MSRV optimisée. 164 Conclusion et perspectives. 165 Perspectives pour la suite de la recherche.
Description du banc expérimental. Calcul des courants optimaux pour la commande à rendement optimal. Calcul des courants optimaux pour réaliser la stratégie MTPA. Calcul des courants optimaux i opt2 par la méthode de Lagrange.
Optimisation des pertes par effet Joule dans le cas d'une machine sans mutuelle. 179 Liste des figures et tableaux .
