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Multi-machines
Mémoire préparé en vue de l’obtention du diplôme de Master en génie électrique.
Spécialité : électrotechnique industrielle.
Préparé par : SENNI Asma et Proposé et dirigé par : Dr. KHADAR Saad
Le travail réalisé dans ce mémoire concerne l’étude, la modélisation et la commande à hautes performances d’un système multi-machines connectées en série.
- Nous avons modélisé la chaîne globale de la machine asynchrone penta phasée et son alimentation par onduleur de tension
- Nous avons étudié la commande vectorielle d’une seule machine penta phasée
- Nous avons présenté le modèle de deux machines asynchrones penta phasées en série alimentées par onduleur de tension penta phasée
- Nous avons présenté la commande vectorielle indépendante de deux MASPH en série.
Introduction générale :
Le système polyphasé multi-machines est un système électrique composé d’un ensemble de machines électriques multiples qui fonctionnent ensemble pour générer ou consommer de l’énergie électrique.
Dans ce système, les MASPH sont interconnectées par un réseau de distribution commun et coopèrent pour réaliser des objectifs tels que la répartition équilibrée de l’énergie, l’amélioration de la sécurité et de la flexibilité de fonctionnement.
Les systèmes multi-machines sont confrontés à plusieurs problèmes et défis qu’il convient de résoudre. Parmi ces problèmes :
- Dimensionnement du système : Le dimensionnement d’un système composé de plusieurs machines est un défi important. Il est nécessaire d’ajuster correctement la taille et la qualité des composants pour répondre aux besoins d’exploitation communs et garantir des performances optimales.
- Contrôle et coordination : Le contrôle des systèmes multi-machines nécessite une coordination précise entre les différentes machines et une répartition appropriée des charges. Les stratégies de contrôle doivent être ajustées pour assurer la cohérence et l’harmonie entre les machines afin d’obtenir des performances optimales.
- Équilibrage et réglage : Si les caractéristiques électriques et mécaniques diffèrent entre les machines, un bon équilibrage et réglage sont nécessaires pour assurer une répartition équilibrée de la charge et de la puissance entre les machines.
- Problèmes de stabilité : Des problèmes de stabilité du système peuvent survenir dans les systèmes multi-machines en raison des interactions dynamiques entre les machines et des effets communs.
Chapitre I : Généralités, Modélisation de la Machine Asynchrone Penta phasée :
Les machines électriques sont aujourd’hui largement reconnues et répandues dans les domaines de la fabrication, de la technique de bobinage, de l’alimentation et de la commande, et elles occupent une place prépondérante dans les applications industrielles et domestiques.
Grâce à l’utilisation répandue des onduleurs de tension pour leur alimentation, ces machines affichent des performances remarquables, notamment dans le domaine des variateurs de vitesse.
Dans ce chapitre, nous avons discuté de la MASPH en général, et pu créer un modèle mathématique de cette machine grâce à cette modélisation.
- Généralités sur les multi-machines ;
- Types de machines multi phasées ;
- Augmentation du nombre de phase ;
- Applications industrielles des machine polyphasées ;
- Structure d’un entrainement a vitesse variable ;
- Présentation des machines polyphasées ;
- Construction du moteur asynchrone à cinq phases ;
- Modélisation générale de la machine asynchrone penta phasée ;
- Modélisation de la machine penta phasée dans le repère de Park ;
- Modélisation de l’alimentation ;
- Commande de la modulation de largeur d’impulsions.
Résultats et Interprétations :
Dans cette étape, on a simulé la machine asynchrone a cinq phases alimentées par une onduleur penta phasée commandé par MLI.
Lors du démarrage, on observe la vitesse atteint sa valeur maximal rad/s et rester constant. Les courants statorique à cinq phases sont sinusoïdaux et la fréquence est égale à 50 HZ.
Chapitre II : Commande Vectorielle de la Machine Asynchrone Penta phasée :
Les machines penta phasée caractérisées par un nombre de phases supérieur à trois, offrent une solution intéressante pour atténuer les contraintes sur les interrupteurs. En effet, l’augmentation du nombre de phases permet de répartir la puissance.
Toutefois, cela suscite des interrogations quant à l’adaptation des théories de commande utilisées pour les machines triphasées aux machines penta-phasées. Afin de répondre à ces questions, nous avons mené une étude approfondie sur la machine asynchrone penta phases (MASPH). Dans ce chapitre, nous allons étudier la commande vectorielle d’un système multi-machines.
- Les types de la commande vectorielle ;
- Modèle de la machine en vue d’un contrôle du flux rotorique ;
- Schéma de principe ;
- Application de la commande par orientation de flux orienté.
Test de la variation de la charge :
On applique une commande vectorielle à MASPH et varie la charge, Ce test sont représenté par le figure suivante :
Les résultats de simulation présentés à la Figure révèlent plusieurs observations. Je constate d’abord que la vitesse atteint sa valeur cible sans dépasser significativement cette valeur. Cela montre que le système réagit positivement au test de variation de la charge. De plus, le couple électromagnétique suit immédiatement le couple résistant, J’ai également remarqué que flux q-rotor et Iqs sont fortement affectés par un changement de charge où en ce moment t=2 seconds la valeur du champ et du courant enregistre à moins de 0, puis je remarque une fluctuation des valeurs. Contrairement aux flux d-rotor et Ids, ils sont plus stables, Et ce changement n’affecte pas les courants sinusoïdaux dans les cinq phases. Ce qui indique que la commande vectorielle est robuste face aux variations de la charge.ٍVariation de la vitesse :
On applique une commande vectorielle à multi-machines et varie la vitesse, Ce test sont représenté par le figure suivante :
Les résultats de la simulation pour la variation de vitesse illustrée dans la Figure démontrent que ce changement entraîne une différence des courants, le flux et le couple électromagnétique, la vitesse rotorique, Il est notable que le système réagit positivement à ce test (t=0.2, w=200 rad/s, t=2, w=-200 rad/s), Il affecte également le courant dans les cinq phases, mais après un certain temps le courant est de retour sinusoïdal.Chapitre III : Modélisation et Simulation de Deux Machines Asynchrones Penta phasées en Série
Structures multi-machines penta phasées se réfèrent à des systèmes électriques utilisant plusieurs machines électriques penta phasées. Dans ces structures, plusieurs machines penta phasées sont connectées au même système électrique et fonctionnent de manière synchronisée.
Ces structures sont utilisées pour améliorer les performances du système électrique, augmenter sa capacité à supporter des charges lourdes et obtenir une meilleure répartition de l’énergie et ils offrent une plus grande flexibilité dans la conception et l’exploitation des systèmes électriques.
Elles permettent également une expansion et une adaptation aux exigences des différentes applications. Dans ce chapitre nous étudions la modélisation et simulation de deux machines asynchrones penta phasées en série.
- Système polyphasé multi-machines ;
- Structures multi-machines ;
- Problèmes posés par les multi-machines ;
- Nombre de machines connectées en série ;
- Présentation de système de deux MASPH.
Résultats de simulation :
Dans cette étape, on a simulé de l’association onduleur-machines.
Les résultats des simulations effectuées pendant une période de 4 secondes sur deux machines penta phasées connectées en série ont confirmé la validité du modèle (machines + onduleur) et démontré les avantages de la configuration en série, Les résultats sont illustrés par le Figure. Les courbes de vitesse précédente présentent des oscillations initiales d'amplitude élevée au démarrage, puis les amplitudes diminuent après cette phase transitoire. Et ça se stabilise à sa valeur 314 rad/s les courbe des courants sinusoïdale pour deux machines prendre le même courbe similaire à celle d'une seule machine.Chapitre IV : Commande Vectorielle d’un Système D’entraînement à Deux Machines Connectées en Série :
La commande vectorielle utilisée sur les deux MASPH en séquence est présentée dans ce chapitre, la théorie du contrôle vectoriel à l’aide de régulateurs de type PI a été initialement écrasée.
Pour évaluer la loi de contrôle vectoriel de la vitesse sur les deux MASPH montée en série, des résultats de simulation ont également été donnés. Les résultats de la simulation indiquent un niveau de performance passable. Nous avons pu avoir plus de contrôle sur les axes courants et gérer les deux machines séparément grâce à la transposition des phases de deux machines.
Dans ce chapitre, deux machines ont été contrôlées indépendamment à l’aide de vecteurs, ce qui a produit des résultats réussis et a permis de déconnecter les contrôles de flux et de couple des machines. En conséquence, il a été possible de commander de nombreuses machines successivement et avec divers systèmes multi phasés.
Test de robustesse pour la variation de la charge :
Le système étudié est utilisé dans la variation de charge La Figure montrent les résultats de la simulation de commande vectorielle sur le système multi machine. La vitesse de référence varie de zéro à la valeur de l’état stationnaire qui est atteinte en 0.1 s et se stabilise à cette valeur le flux deux machine d-rotor est stabilisé à presque un niveau flux d-rotor web lors du changement de la charge, tandis que le flux q-rotor est stabilisé à presque un zéro, les courants du stator à cinq phases Il est clair que les courants se comportent selon le comportement dynamique du moteur, où les formes d’onde sinusoïdales sont obtenues suivant la variation de charge, il peut être vu clairement dans la zone de zoom. En même temps le courant d-stator change et le même cas pour le courant q-stator.Pour la variation de la vitesse :
Dans cet essai, le système étudié est utilisé dans la variation vitesse avec un couple de charge constant. La Figure montrent les résultats de la simulation et des expériences de la technique de commande vectorielle sur le système multi-machines. La vitesse de référence utilisée se compose de deux phases; la première phase varie de zéro à la valeur de l’état stationnaire (314 rad/s) qui est atteinte en 0.1 s et se stabilise à cette valeur. Tandis que la deuxième phase présente la vitesse qui est décroissant (-314 rad/s) après l'instants t=2 cette figure montre le couple électromagnétique développé par le moteur étudié.
Au démarrage du moteur, le couple de démarrage sera développé pour accélérer la machine, le couple développé se stabilise au couple de référence, c'est-à-dire à zéro. Lorsque t=2s, en varie la vitesse entraîne une perte de couple électromagnétique inférieure à zéro, le couple électromagnétique est rapidement passé à 4N.m. L’ondulation de commutation n’est pas visible dans le couple électromagnétique développé en raison de la variation de vitesse, le flux d-rotor de deux machine commence à augmenter au démarrage et atteint la valeur de référence après un petit délai, tandis que le flux d-rotor est stabilisé à presque un niveau Lors du changement de vitesse au moment t=2s, Je remarque un changement dans le flux et il retourne rapidement à sa valeur web tandis que le flux q-rotor est stabilisé à presque un zéro Et sa valeur fluctue au moment t=2s à une valeur inférieure à zéro , les courants du stator à cinq phases Il est clair que les courants se comportent selon le comportement dynamique du moteur, où les formes d’onde sinusoïdales sont obtenues avec un contenu harmonique réduit et leur changement sinusoïdal suivant la variation de la vitesse, il peut être vu clairement dans la zone de zoom. En même temps le courant d-stator change dans le temps t=2s après cela sera constant et même cas pour le courant q-stator.Conclusion générale :
L’étude a mis en évidence que les machines asynchrones penta-phasées multi-machines offrent certains avantages par rapport aux moteurs asynchrones traditionnels à trois phases. En exploitant les cinq phases, ces machines peuvent fournir un couple plus élevé, une meilleure stabilité et une plus grande résistance aux perturbations. De plus, elles permettent une meilleure répartition de la charge entre les différentes unités, ce qui peut améliorer l’efficacité énergétique et prolonger la durée de vie de l’ensemble du système.
Cependant, il convient de noter que l’utilisation des machines asynchrones penta-phasées multi-machine reste limitée et présente des défis pratiques. La disponibilité des composants et des technologies associées peut être un obstacle, tout comme les coûts initiaux plus élevés pour la mise en place d’un tel système. De plus, l’interopérabilité avec les réseaux électriques existants et les normes industrielles peut poser des problèmes.
Ce projet m’a offert de précieuses opportunités. D’une part, il m’a permis d’acquérir les connaissances fondamentales nécessaires pour étudier et simuler un système multi-machine. D’autre part, il a considérablement enrichi ma compréhension de la modélisation et de la commande des machines asynchrones à cinq phases. En conclusion, j’estime que ce travail peut être à l’origine de nombreuses pistes de recherche prometteuses.
Annexe
Les paramètres de la machine asynchrone penta phasée multi-machines (MASPH) utilisés dans ce mémoire sont les suivants :
- La puissance électrique : P = 0.7 KW
- Inductance du stator : Ls = 0.4642 H
- Inductance du rotor : Lr = 0.4612 H
- Résistance du stator : Rs = 10 Ω
- Résistance du rotor : Rr = 6.3Ω
- Numbers de pairs de pôles : P = 2
- Coefficient de frottements : f = 0.0001 SI
- Moment d’inertie : J= 0.03 𝐾𝑔/𝑚2