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Niveau: Supérieur
N° d'ordre : 1912 Année 2002 THÈSE présentée pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Spécialité : Génie Electrique par Rosendo PEÑA EGUILUZ Ingénieur et M. Sc. en Electronique de l'Instituto Tecnológico de Toluca (Mexique) D.E.A. Génie Electrique à l'INPT ___________________ Commande algorithmique d'un système mono-onduleur bimachine asynchrone destiné à la traction ferroviaire soutenue le 8 novembre 2002 devant le jury composé de : M. Y. CHERON Président MM. J.-P. HAUTIER Rapporteur F. MEIBODY-TABAR Rapporteur Mme M. PIETRZAK-DAVID MM. B. de FORNEL C. RONDEAU Thèse préparée au Laboratoire d'Electrotechnique et d'Electronique Industrielle de l'ENSEEIHT UMR CNRS N° 5828
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- mémoire
N° d'ordre : 1912 Année 2002 THÈSE présentée pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Spécialité : Génie Electrique par Rosendo PEÑA EGUILUZ Ingénieur et M. Sc. en Electronique de l'Instituto Tecnológico de Toluca (Mexique) D.E.A. Génie Electrique à l'INPT ___________________ Commande algorithmique d'un système mono-onduleur bimachine asynchrone destiné à la traction ferroviaire soutenue le 8 novembre 2002 devant le jury composé de : M. Y. CHERON Président MM. J.-P. HAUTIER Rapporteur F. MEIBODY-TABAR Rapporteur Mme M. PIETRZAK-DAVID MM. B. de FORNEL C. RONDEAU Thèse préparée au Laboratoire d'Electrotechnique et d'Electronique Industrielle de l'ENSEEIHT UMR CNRS N° 5828
- multimotors - estimation techniques
- suppression du capteur mécanique
- motor system
- dual induction
- traction ferroviaire
- contrôle sans capteur de vitesse - commande numerique
- asynchrone
N° d’ordre : 1912 Année 2002 THÈ SE présentée pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Spécialité : Génie Electrique par Rosendo PE ÑA E GUILUZ Ingénieur et M. Sc. en Electronique de l’Instituto Tecnológico de Toluca (Mexique) D.E.A. Génie Electrique à l’INPT ___________________ Commande algorithmique d’un système monoonduleur
bimachine asynchrone destiné à la traction ferroviaire soutenue le 8 novembre 2002 devant le jury composé de : M. Y. CHERON Président MM. J.P. HAUTIER Rapporteur F. MEIBODYTABAR Rapporteur Mme M. PIETRZAKDAVID MM. B. de FORNEL C. RONDEAU Thèse préparée au Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique Industrielle de l’ENSEEIHT UMR CNRS N° 5828
ii
Commande algorithmique d’un système
monoonduleur bimachine asynchrone
destiné à la traction ferroviaire
Mots clés :
Machine asynchrone
Multimachines
Traction électrique
Contrôle sans capteur de vitesse
Resumé
Contrôle vectoriel
Techniques d’estimation
Simulation
Commande numerique
L'objectif de ce travail est de modéliser et de caractériser le comportement d’un système
monoonduleur bimachine asynchrone appliqué à la traction ferroviaire (bogie d’une
locomotive BB 36000) en vue de la conception de sa commande.
La première partie de ce mémoire est consacrée à la description détaillée du système globale.
L’analyse de l’influence des perturbations internes (variations paramétriques d’une machine)
et externes (décollement du pantographe, patinage, broutement) de ce système est faite dans le
cas d’une structure de commande vectorielle classique appliqué à chaque moteur de
l'entraînement (structure de traction classique).
iii
Dans la deuxième partie, une nouvelle structure de propulsion est proposée. Elle est
constituée d’un onduleur à deux niveaux de tension à modulation de largeur d’impulsion,
alimentant en parallèle les deux machines asynchrones qui à leur tour permettent de créer la
force de traction transmise aux essieux du bogie. La caisse de la locomotive représente une
charge commune pour les deux moteurs. Plusieurs stratégies de commande coopérative sont
étudiés, il s’agit des commandes : moyenne simple, moyenne double, maître esclave alternée
et moyenne différentielle. Une stratégie d’observation des modes électriques adéquate à ces
différentes contrôles est étudie par la suite. Cet ensemble de commandes est validé à l’aide
d’un logiciel de simulation SABER. Il correspond à une quasiexpérimentation dans la
mesure où le système à contrôler est modélisé en langage MAST et toute la commande
discrète en langage C dans l'environnement de SABER.
La troisième partie est dédiée à la suppression du capteur mécanique ensuite appliqué dans les
commandes coopératives précédemment proposées. Les méthodes partielles de reconstruction
de la vitesse sont : la rélation d’autopilotage, le filtre de Kalman mécanique, l’observateur à
structure variable et MRAS.
Finalement la description de la configuration matérielle pour la réalisation expérimentale est
présentée.
iv
Control Algorithms for Single Inverter
Dual Induction Motor System
applied to Railway Traction
Keywords:
Induction Motor
Multimotors
Electrical Traction
Sensorless Control
Abstract
Field Oriented Control
Estimation Techniques
Sim ulation
Digital Control
The goal of this work concerns the modelling and the behaviour characterisation of a single
inverter dual induction motor system applied to a railway traction bogie (BB36000) in order
to concept its control.
First part of this job is dedicated to the detailed description of overall system. The influence
analysis of the internal perturbations (motor parameters variation) and, external perturbations
(pantograph detachment, adherence loss, stickslip) of the system have made considering the
field oriented control applied to each motor of the bogie (classical traction structure).
In a second part, a novel propulsion structure is proposed. It is composed by a single pulse
width modulated two level voltage source inverter. It supplies two parallel connected
induction motors, which generate the transmitted traction force to the bogie wheels. The
locomotive case represents the common load for the two motors. Several cooperative control
strategies (CS) are studied. They are: the mean CS, the double mean CS, the master slave
switched CS and, the mean differential CS. In addition, an appropriated electric modes
observer structure for these different controls has studied. These controls have validated
applying the perturbations to the models using the solver SABER. This special approach is
equivalent to quasiexperimentation, because the mechanical and the electrical system
components have modelled using MAST language and, the sample control has created by a C
code programme in the SABER environment.
Third part is dedicated to the mechanical sensor suppression and, its adaptation in the co
operative control strategies. The partial speed reconstruction methods are : the fundamental
frequency relation, the mechanical Kalman filter, the variable structure observer and the
MRAS.
Finally, the hardware system configuration of the experimental realisation is described.
vi
Algoritmos de Control para un Sistema
Monoinversor Bimotor Asíncrono
aplicado en Tracción Ferroviaria
Palabras claves:
Motor asíncrono
Multimaquinas
Tracción ferroviaria
Simulación
Resumen
Control vectorial
Técnicas de estimación
Control sin detector de velocidad
Control digital
El objetivo de este trabajo consiste en modelar y caracterizar el funcionamiento de un sistema
monoinversor bimotor asíncrono aplicado en tracción ferroviaria (bogie de una locomotora
BB 36000) con la finalidad de concebir su sistema de control.
La primera parte de la memoria está consagrada a la descripción detallada de la totalidad del
sistema. El análisis de la influencia de las perturbaciones internas (variación de los parámetros
eléctricos de un motor) y externas (desconexión del pantógrafo, patinaje) del sistema se
realizó utilizando una estructura de control vectorial clásica, aplicada en cada motor del
sistema mecánico de tracción (estructura de tracción clásica).
En la segunda parte, se propone una nueva estructura de propulsión conformada mediante un
inversor con dos niveles de voltaje modulado en ancho de pulso, alimentando en paralelo los
dos motores asíncronos, los cuales a su turno permiten transmitir la fuerza de tracción a los
ejes delbogie. E l vagón de la locomotora representa una carga común para ambos motores.
Fueron estudiadas diferentes estrategias de control de tipo cooperativo, se trata de los
controles: promedio simple, promedio doble, maestro – esclavo alternado y promedio
diferencial. Se estableció una estructura de observación de las variables de estado eléctricas
de los motores, adecuada a los diferentes controles propuestos. Dichos controles fueron
validados mediante el programa de simulación SABER. Las simulaciones realizadas
corresponden a una semiexperimentación, en la medida en la que el sistema a controlar esta
modelizado en lenguaje MAST y todo el sistema de control digital en lenguaje C, dentro del
ambiente de SABER.
La tercera parte esta dedicada a la eliminación del detector mecánico de velocidad aplicada en
los controles cooperativos
anteriormente
propues tos.
Los métodos parciales para la
reconstitución de la velocidad aplicados son: la relación de auto pilotaje, el filtro de Kalman
mecánico, el observador de estructura variable y el método de modelo de referencia.
Finalmente, se presenta la descripción de la configuración material para la realización
experimental del sistema.
viii
Avant Propos
Les travaux présentés dans ce mémoire ont été effectués au Laboratoire d’Electrotechnique et
d’Electronique
Industrielle
(LEEI), Unité Mixte de Recherche de l’Ecole Nationale
Supérieure d’Electrotechnique,
d’Electronique,
d’Informatique,
d’Hydraulique et de
Télécommunications (ENSEEIHT) de l’Institut National Polytechnique de Toulouse (INPT)
et du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS).
Nous exprimons nos plus distinguées reconnaissances au “Consejo Nacional de Ciencia y
Tecnología” (CONACyT) du Mexique, à la Société Française d’Exportation des Ressources
Educatives (SFERE) et à l’Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (ININ) du
Mexique pour leurs soutiens économique et administratif nécessaires pour la réalisation de ces
travaux.
Au terme de ces trois années de recherche, nous tenons à remercier très sincèrement:
Monsieur Y. CHERON
Directeur de Recherche au CNRS et directeur du LEEI, pour nous avoir fait l’honneur
d’accepter la présidence du jury de soutenance et pour ses conseils prodigués lors de la phase
finale de ce travail.
Monsieur J.P. HAUTIER
Professeur à l’Ecole Nationale Supérieur d’Arts et Métiers de Lille, directeur du Laboratoire
d’Electrotecnique et d’Electronique de Puissance de Lille (L2EP) et responsable de l’équipe
commande pour avoir accepté la tâche de rapporteur de ce mémoire et pour le jugement
scientifique qu’il a bien voulu y porter.
Monsieur F. MEIBODY TABAR
Professeur à l’Ecole Nationale Supérieure d’Electricité et de Mécanique, Chargé de Mission
de la Filière Génie Electrique et Résponsable de l’équipe de recherche électronique de
puissance au Groupe de Recherche en Electrotecnique et Electronique de Nancy (GREEN),
pour l’intérêt qu’il a porte à nos travaux en participant à ce jury en tant que rapporteur.
Madame M. PIETRZAK DAVID
Professeur à l’Institut National Polytechnique de Toulouse, et Directeur du Département de
Génie
ElectriqueAutomatique
à
l’Ecole
Nationale
Supérieure
d’Electrotechnique,
d’Electronique, d’Informatique, d’Hydraulique et de Télécommunications et le responsable
du DEA Génie Electrique pour avoir accepté la direction scientifique de ces travaux de
recherche. Nous apprécions de tout notre cœur ses qualités humaines, son soutien, sa
disponibilité ainsi que ses précieux conseils scientifiques quotidiens qui nous ont permis de
finaliser cette thèse de doctorat.
Monsieur B. de FORNEL
Professeur à l’Institut National Polytechnique de Toulouse, pour m’avoir orienté lors de mon
arrivé en France, sa compétence scientifique, sa grande expérience et ses inestimables
conseils.
Monsieur C. RONDEAU
Ingénieur de la SNCF, pour l’honneur qu’il nous a fait en participant à notre jury de thèse et
pour ses commentaires très constructifs.
x
Nous remercions également :
Monsieur H. FOCH
Professeur
à
l’Ecole
Nationale
Supérieure
d’Electrotechnique,
d’Electronique,
d’Informatique, d’Hydraulique et de Télécommunications et ancien directeur du LEEI pour
m’avoir accueilli au sein du laboratoire.
Monsieur X. ROBOAM
Chargé de Recherche au CNRS et responsable du groupe Systèmes du LEEI, pour son
expérience, sa disponibilité et l’intérêt qu’il a porté à nos travaux, bien que n’ayant pu, à notre
regret, être pr ésent le jour de notre soutenance. Il a établi une collaboration qui s’est révèle
intéressante à l’avenir. Qu’il trouve à travers ce mémoire l’assurance de notre reconnaissance.
Monsieur B. SARENI et Monsieur S. CAUX
Maîtres de Conférences à l’Institut National Polytechnique, pour son soutien et amitié
manifestée tout au long de ce travail.
Nous tenons également à remercier tout le personnel technique, chercheurs et enseignants du
LEEI en particulier :Mesdames C. BODDEN, R. ESCAIG, J. PIONNIE, V. SCHWARZ, I.
LABAL, F. MEBREK, Mademoiselle Ch. CHARRON, Monsieur BERTELLIet ainsi que
Monsieur J.B. DALZOVOpour leurs compétences, leur disponibilité et leur gentillesse.
Le choix personnel d’un chemin de la vie, parmi l’infinité des chemins possibles, nous a fait
partager un même espace temps. Je suis certain d’avoir aimé cette période commune passée
avec mes amies et collègues :O. Rieux, R. Bensaid, C. Martins, R. Ruelland, P.E. Vidal, L.
Garbuio, S. Canat,:et plus particulièrement H. Ben Attia, A. Ben Abdelghani, H. Demni,
xi
