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Simulation en temps réel à l'aide de la représentation d'état : application à un entraînement électrique basé sur une machine asynchrone

Champagne, Roger (2001). Simulation en temps réel à l'aide de la représentation d'état : application à un entraînement électrique basé sur une machine asynchrone. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les machines électriques sont omniprésentes dans nos vies. Il y en a dans nos ordinateurs et appareils ménagers, elles entraînent les machines-outils et les robots dans nos usines et déplacent trains et navires. Suite aux progrès importants en électronique de puissance ces dernières années, les entraînements à vitesse variable ont aussi connu une popularité croissante. Cependant, leur utilisation à grande échelle pollue le réseau électrique avec des harmoniques indésirables qui troublent le fonctionnement d'équipements sensibles, tels les ordinateurs et les systèmes de télécommunications. L'impact des entraînements à vitesse variable sur le réseau électrique qui les alimente doit donc être analysé à l'aide d'outils de simulation. De plus, la conception des entraînements de grande puissance bénéficierait aussi d'un outil permettant de développer les prototypes des contrôleurs associés à ces entraînements.

Le but de cette thèse est donc de développer l'outil en question, soit un simulateur d'entraînements électriques entièrement numérique en temps réel. Ce simulateur permettrait aux ingénieurs chargés de la conception des entraînements d'effectuer des batteries de tests sur un prototype de contrôleur, sans avoir besoin dès le départ du véritable convertisseur et de la véritable machine. Ces premiers essais pourraient donc se faire dans des installations beaucoup plus modestes et de façon plus sécuritaire.

Notre travail est basé sur la modélisation des entraînements électriques à l'aide de l'approche par variables d'état. Nous décrivons d'abord une méthode permettant d'obtenir automatiquement les équations d'état de tout système électrique linéaire, les composantes non-linéaires étant simulées à l'extérieur de la représentation d'état. La méthode est basée sur la théorie des graphes linéaires et comporte beaucoup de calcul matriciel, lequel est réalisé efficacement dans l'environnement Matlab. Une technique originale de mise à jour des équations d'état suite à un changement d'état d'interrupteurs est utilisée, ainsi qu'une méthode permettant d'obtenir une représentation d'état unique de tout l'étage de puissance. Cette dernière méthode permet une solution simultanée de toutes les équations dynamiques du système. Une implantation de la discrétisation trapézoïdale adaptée aux systèmes variant dans le temps est ensuite décrite et comparée à une méhtode d'intégration récemment développée pour la simulation en temps réel des systèmes rigides. Enfin, les diverses techniques exposées sont implantées afin de permettre la simulation en temps réel d'un entraînement industriel sur un ordinateur parallèle. D'excellents résultats sont obtenus avec un pas de calcul de l'ordre de 60µs, incluant les communications interprocesseur et les acquisitions des entrées et sorties.

Résumé traduit

Electric machinery is widely used in our daily lives. There are electric motors in our computers and appliances at home, in tools and robots in manufacturing plants, and in vehicles such as cars, trains and ships. The past few decades have seen major advancements in the field of variable speed drives, consequent to new technologies in power electronics. However, widespread use of such drives pollutes the power grid with undesirable harmonics which compromise the normal operation of sensitive devices such as computers and telecommunication systems. The impact of the variable speed drives on the power grid must therefore be analyzed with simulation tools. Moreover, designing high power drives could also benefit from a simulation tool that would allow prototyping of the drive' s controller.

Our goal in this thesis is to develop such a tool, a fully digital real-time simulator dedicated to electric drives. Such a simulator would allow engineers responsible for the design of large drives to prototype the drive's controller and initially test it using a simulated power converter and machine. Such tests would require limited space and equipment, and could be carried out safely without any high power devices.

Our work is based on modeling the drive using the state variable approach. We first describe a method which automatically computes the state equations of any linear electric system, nonlinear components being simulated outside the state-space representation. The method is based on linear graph theory and uses matrix computations extensively. This task is performed efficiently in the Matlab environment. An original technique, used to update the state equations when a switching device changes state, is then described. We then describe a method which yields a unique state-space representation for the entire power stage of a drive. This method allows a simultaneous delay-free solution of all the drive's dynamic equations. An implementation of the trapezoïdal integration rule, adapted for time-varying systems, is then described and compared to an integration method recently developed specifically for real-time simulation of stiff systems. Finally, the various methods discussed thus far are implemented in order to yield a real-time simulation of an industrial drive on a parallel computer. Good results are obtained with timesteps of the order of 60 us, which includes interprocessor communications and inputs and outputs acquisition and conversion.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse de doctorat présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliogr.: p. [169]-172.
Mots-clés libres: Application, Asynchrone, Electrique, Entrainement, Etat, Machine, Numerique, Reel, Representation, Simulation, Temps, Variable
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de thèse
Dessaint, Louis-A.
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 16 mai 2011 18:58
Dernière modification: 03 oct. 2016 20:13
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/838

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