Modelisation et commande d’un alterno-demarreur heptaphase pour application automobile micro-hybride.

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Bruyere, Antoine (2009) Modelisation et commande d’un alterno-demarreur heptaphase pour application automobile micro-hybride. Doctorat Génie Electrique, Laboratoire d'Electrotechnique et d'Electronique de Puissance de Lille, ENSAM 2009ENAM0006 p.160.

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Résumé

Ces travaux de thèse traitent de l’étude d’un système alterno-démarreur polyphasé, pour une application automobile micro hybride. Ce système est composé d’une machine synchrone, à griffes, 7-phases, avec aimants interpolaires (entre les griffes), et bobinage à pas fractionnaire. Cette machine est alimentée par un onduleur de tension 7 bras. Le premier chapitre présente un état de l’art sur les véhicules automobiles hybrides, ainsi que sur la modélisation des machines électriques polyphasées en vue de leur commande. Les méthodes développées au L2EP, spécifiquement pour l’étude des machines polyphasées, sont utilisées. Elles sont basées sur la transformation de Concordia généralisée et utilisent la notion de machines fictives. Le formalisme graphique REM (Représentation Energétique Macroscopique), développé également au L2EP, apporte une aide pour la représentation du modèle, et permet de systématiser la définition des structures de commande du système. Le deuxième chapitre s’attache à examiner comment des modèles développés initialement pour les machines à bobinage non fractionnaire, à pôles lisses, et non saturées, peuvent s’étendre à la machine étudiée, à bobinage à pas fractionnaire, fonctionnant en régime saturé, et présentant des variations d’entrefer. Par ailleurs, une démarche générique, basée sur une analyse harmonique des machines polyphasées, est mise en place afin de mettre en évidence les interactions entre structure et commande. Enfin, une méthode d’identification adaptée aux machines polyphasées basse tension est développée. Avec le troisième chapitre, deux types de commande sont comparées : commande pleine onde, puis commande par Modulation de Largeur d’Impulsion (MLI) utilisant des asservissements des courants associés aux machines fictives. Des essais expérimentaux, accompagnés de simulations numériques, permettent de tester les modèles proposés, puis les deux types de commande étudiés. On montre ainsi, pour le prototype considéré, les avantages et limites de chacune de ces commandes : les performances en terme de qualité de couple (vibration/bruit) associées à la rusticité de la commande pleine onde sont à mettre en balance avec la complexité (et le coût) d’une commande en MLI permettant une meilleure maitrise de la qualité du couple. Pour conclure, le système alterno-démarreur étudié offre des fonctions hybrides simples, en limitant fortement le surcoût lié à l’hybridation. L’architecture polyphasée permet d’accroitre la puissance du système, mais nécessite certaines précautions pour la conception et la commande de la machine électrique. Ce mémoire développe des méthodes pour faciliter conjointement la mise en œuvre de ces deux étapes, pour ce type de système automobile hybride.

Table des Matières

Avertissement i

Remerciements iii

Table des matières v

Glossaire vii

Liste des figures x

Liste des tableaux xii

Introduction Générale 1

CHAPITRE 1 Alterno-démarreur polyphasé : contexte et cahier des charges 4

1.1. Le système alterno-démarreur pour véhicules micro-hybrides 5

1.1.1 : Pétrole : questions liées aux ressources et à la pollution 5

1.1.2 : Classification des véhicules automobiles et fonctions hybrides 6

1.1.3 : Technologies pour véhicules micro-hybrides 12

1.1.4 : Bilan sur le système alterno-démarreur triphasé à entrainement par courroie 13

1.2. Machines polyphasées 16

1.2.1 : Généralités 16

1.2.2 : Modélisation des machines synchrones polyphasées 19

1.3. Système alterno-démarreur polyphasé forte puissance 31

1.3.1 : La machine à griffes, synchrone 7-phases à excitation séparée 32

1.3.2 : L’onduleur de tension 7-bras 35

1.4. Bilan sur l’intérêt du développement de l’alterno-démarreur 7-phases 36

CHAPITRE 2 Modélisation, rétro-conception et caractérisation de l’alterno-démarreur 7-phases 37

2.1. Modélisation et rétro-conception en vue de la commande 38

2.1.1 : Développement d’un modèle dans le référentiel naturel 38

2.1.2 : Projection du problème dans le référentiel de Concordia généralisé 51

2.1.3 : Modèles de commande de l’alterno-démarreur 7-phases ; représentation par le formalisme REM 60

2.2. Analyse de la conception de la machine 7-phases dans le référentiel de Concordia 62

2.3. Caractérisation des paramètres électriques caractéristiques des modèles de commande 69

2.3.1 : Avantages et difficultés des mesures dans le référentiel naturel de la machine 69

2.3.2 : Avantages et difficultés des mesures dans le référentiel de Concordia généralisé 71

2.3.3 : Méthode originale de caractérisation dans le référentiel de Concordia généralisé 72

2.4. Bilan de la modélisation de l’alterno-démarreur 7-phases dans les différents référentiels 80

CHAPITRE 3 Comparaison de différentes commandes de l’alterno-démarreur 7-phases 81

3.1. Commande dans le référentiel naturel sans asservissement des courants statoriques 82

3.1.1 : De la commande d’un alternateur conventionnel à celle de l’alterno-démarreur 7-phases 82

3.1.2 : Mode moteur 84

3.1.3 : Mode alternateur 94

3.1.4 : Avantages et limites de la commande pleine onde 100

3.2. Commande par Modulation de Largeur d’Impulsion avec asservissement des courants associés aux machines fictives 101

3.2.1 : Mode moteur 101

3.2.2 : Mode alternateur de la machine électrique 112

3.2.3 : Avantages et limites des commandes MLI établies à partir d’une modélisation dans le référentiel de Concordia généralisé 117

3.3. Bilan des commandes proposées pour l’alterno-démarreur 7-phases 117

Conclusion générale 119

Annexes 123

Plan des annexes : 123

A1 : Environnement mathématique 123

A2 : Représentation Energétique Macroscopique 123

A3 : Prototypage virtuel, pour l’analyse et la caractérisation de la machine 7-phases par le logiciel Code_Carmel 123

A4 : Caractérisation des paramètres du modèle de commande de l’alterno-démarreur 7-phases défini dans le référentiel naturel de la machine 123

A5 : Développement du calcul des inductances de la machine 7-phases, avec prise en compte des effets de perméance variable 123

A6 : Dispositif expérimental 123

A7 : Élévation du niveau de tension du bus continu pour la commande MLI 123

A1 : Environnement mathématique 124

A1. 1 : Notations vectorielles et matricielles 124

A1. 2 : Repères statorique et rotorique pour la mise en équation de la machine synchrone 125

A2 : Représentation Energétique Macroscopique 127

A2. 1. Principes généraux de la REM 127

A2. 2. Éléments constitutifs de la REM 128

A2. 3. Application au système alterno-démarreur 7-phases dans la base naturelle 132

A3 : Prototypage virtuel, pour l’analyse et la caractérisation de la machine 7-phases par le logiciel Code_Carmel 136

A4 : Caractérisation des paramètres du modèle de commande de l’alterno-démarreur 7-phases défini dans le référentiel naturel de la machine 138

A4. 1. Caractérisation des forces électromotrices 138

A4. 2. Caractérisation des constantes de temps 142

A5 : Développement du calcul des inductances de la machine 7-phases, avec prise en compte des effets de perméance variable 146

A6 : Dispositif expérimental 149

A7 : Élévation du niveau de tension du bus continu pour la commande MLI 151

Bibliographie 153

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