Topologie et emploi des machines asynchrones à double alimentation

La machine asynchrone à double alimentation présente un stator analogue à celui des machines triphasées classiques (asynchrone à cage ou synchrone) constitué le plus souvent de tôles magnétiques empilées munies d’encoches dans lesquelles viennent s’insérer les enroulements. L’originalité de cette machine provient du fait que le rotor n’est plus une cage d’écureuil coulée dans les encoches d’un empilement de tôles, mais il est constitué de trois bobinages connectés en étoile dont les extrémités sont reliées à des bagues conductrices sur lesquelles viennent frotter des balais lorsque la machine tourne (figure 2.12). En fonctionnement moteur, le premier intérêt de la machine asynchrone à rotor bobiné à été de pouvoir modifier les caractéristiques du bobinage rotorique de la machine, notamment en y connectant des rhéostats afin de limiter le courant et d’augmenter le couple durant le démarrage, ainsi que de pouvoir augmenter la plage de variation de la vitesse.

Plutôt que de dissiper l’énergie rotorique dans des résistances, l’adjonction d’un convertisseur entre le bobinage rotorique et le réseau permet de renvoyer cette énergie sur le réseau (énergie qui est normalement dissipée par effet joule dans les barres si la machine est à cage). Le rendement de la machine est ainsi amélioré [11]. La machine asynchrone à double alimentation est aussi couramment appelée machine généralisée, car sa structure permet de considérer son comportement physique de façon analogue à une machine synchrone à la différence près que le rotor n’est plus une roue polaire alimentée en courant continu ou un aimant permanent, mais il est constitué d’un bobinage triphasé alimenté en alternatif. Ce fonctionnement peut être éventuellement résumé par le terme de : « machine synchrone à excitation alternative ». La figure 2.13 représente les différents enroulements et les flux présents à l’intérieur des structures d’une machine synchrone et d’une MADA. Le vecteur flux présent dans l’entrefer de la machine est la résultante du flux créé par les bobinages statoriques $5 et du flux rotorique $r créé soit par la rotation de la roue polaire alimentée en continu soit par l’alimentation alternative des bobinages rotoriques triphasés. La principale divergence entre les deux machines est due à l’établissement du flux rotorique. En effet, dans une machine synchrone classique, la phase du flux rotorique dépend directement de la position mécanique de la roue polaire. Son évolution est donc dépendante de la machine ellemême et de la charge qui lui est accouplée et dépendra donc de la constante de temps mécanique globale du système. En l’absence d’autopilotage, les performances sont par conséquent limitées et des instabilités de fonctionnement peuvent apparaître. En remplaçant la roue polaire par un circuit triphasé alimenté en alternatif, l’amplitude et la phase du vecteur $r sont totalement contrôlables par l’alimentation du circuit. Ainsi, la dynamique du flux devient indépendante du système mécanique et dépend uniquement de la constante de temps électrique du système [1].

Principe de la commande vectorielle

La commande d’une machine à courant alternatif est effectuée en général par deux techniques, l’une classique (commande scalaire), et l’autre moderne (commande vectorielle, commande directe du couple (DTC)). Dans les applications nécessitant des performances dynamiques importantes, il faut pouvoir agir directement sur le couple instantané. C’ est facile pour la machine à courant continu, où la force magnétomotrice de l’ induit établi un angle droit avec l’axe du flux inducteur, et ceci quel que soit la vitesse de rotation, ainsi le couple est proportionnel au produit du flux inducteur et du courant d’ induit. Si la machine est excitée séparément, et l’on maintient le flux inducteur constant, le couple est directement proportionnel. Au courant d’ induit, on obtient donc de bonnes performances dynamiques puisque le couple peut être contrôlé aussi rapidement que le courant d’induit peut l’ être [25]. Par contre, dans une machine asynchrone, l’ angle entre le champ tournant du stator et celui du rotor varie avec la charge, il en résulte des interactions complexes et des réponses dynamiques oscillatoires. Pour obtenir une situation équivalente à celle de la machine à courant continu, on introduit la technique de la commande vectorielle. Le principe de cette dernière consiste à transformer le modèle de la machine asynchrone à une structure similaire à celle de la machine à courant continu à excitation séparée et compensée.

En effet, en absence de la saturation et de la réaction magnétique d’ induit, le flux principal de l’inducteur est proportionnel au courant d’excitation. Il n’est pas affecté par le courant d’induit à cause de l’ orientation perpendiculaire des flux statoriques et rotoriques. C’est pourquoi le couple électromagnétique d’une machine à courant continu à excitation séparée est directement proportionnel au courant de l’ induit pour une valeur constante du flux, ce qui présente un réglage rapide du couple. Et pour la machine asynchrone, l’ angle entre les deux champs statoriques et rotoriques est différent de 90°. L’ idée proposée par Blaschke et Hasse c’ est de décomposer le vecteur des courants statoriques ou rotoriques en deux composantes, l’une produit le flux, et l’autre produit le couple. Ce qui permet d’avoir un angle de 90° entre les deux flux de la machine, et on obtient une caractéristique similaire à celle de la machine à courant continu à excitation séparée.

Conclusion générale

L’objectif de ce projet concerne les stratégies de commande de vitesse d’une machine asynchrone à double alimentation. Cette étude est centrée sur les machines électriques en général et la MADA en particulier qui exige une bonne modélisation mathématique et décrivant l’ensemble de la machine et le système à entraîner. Cela permet de prévoir les performances dynamiques et statiques de ses entraînements. Au vu de ces conclusions, nous avons orienté notre travail sur l’utilisation d’une MADA en fonctionnement moteur. Il s’agit d’une configuration utilisant deux onduleurs. Toutes nos stratégies auront pour base d’un contrôle vectoriel à orientation de flux statorique. Après avoir décrit quelques avantages et quelques inconvénients propres à notre choix, nous avons présenté des critères à prendre en compte lors des différents tests de simulation numérique sur la MADA. Ainsi, la technique de la commande vectorielle appliquée à la MADA peut maitriser la difficulté de son réglage. Elle permet d’assurer le découplage entre le flux et le couple électromagnétique et améliorer la dynamique de la vitesse.

L’association de la commande vectorielle à un régulateur de vitesse de type PI classique permet d’obtenir une bonne performance. Mais ce dernier peut perdre sa robustesse vis-à-vis de la perturbation extérieure et la variation paramétrique. La logique floue, caractérisée par sa capacité de traiter l’ imprécis, l’ incertain et le vague, a été exploitée pour construire un régulateur flou de vitesse de la MADA. L’approche de la commande floue proposée a été justifiée par les résultats de simulation et les performances obtenus. Une comparaison avec les résultats obtenus par le PI classique a montré l’ amélioration des performances dynamiques, ce qui rend le régulateur flou un choix acceptable pour les systèmes d’entraînement nécessitant des réglages rapides, précis et moins sensibles aux perturbations extérieures et aux variations paramétriques, le manque de techniques de conception est l’ inconvénient majeur de la commande floue. L’une des solutions proposées pour remédier à ce problème est l’ utilisation d’une procédure d’optimisation des paramètres du régulateur.

Les résultats de simulation ont montré de très bonnes performances des stratégies de commande utilisées. Nous avons remarqué que le système avec et sans charge et sous les effets de perturbation exogènes et endogènes en boucle fermée possède des dynamiques très proches. En examinant les résultats, nous avons remarqué que les comportements des états de type mécanique ont été bien améliorés. L’amplitude des états de type électrique, en boucle fermée, a été importante, mais elle est restée dans des limites acceptables. Ce mémoire peut être une nouvelle base de départ pour des futures contributions. Une suite de ce travail pourrait se focaliser sur l’ intégration du modèle de l’éolienne dans le modèle du réseau. Il faudrait, d’abord, trouver le modèle dynamique et la commande des convertisseurs de puissance, ensuite, linéaires le modèle complet de l’éolienne et l’ intégrer dans le modèle du réseau. Une poursuite, qui peut aussi être intéressante de ce travail, se trouve au niveau de la commande des systèmes électriques muItimachines. Enfin, ce travail est un prolongement des études réalisées sur la MADA et a besoin d’une continuation dans plusieurs directions. Pour statuer sur les performances de différentes techniques de contrôle d’une MADA, nous pensons qu’il serait judicieux de reprendre cette étude pour caractériser les influences des phénomènes non-linéaires de la commande. D’ après les résultats obtenus, il serait intéressant d’envisager les perspectives et les suggestions suivantes :