COMMANDE TOLERANTE AUX DEFAUTS

Dans cette partie, nous proposons de conjuguer l’avantage de structures de convertisseurs permettant naturellement une redondance matérielle pour une défaillance de composants de puissance (en position ouverte ou en court-circuit) et d’une architecture de commande tolérante aux fautes de type perte de capteurs de tension ou de courant. L’objectif est de pallier à un maximum de défauts pouvant affectés un convertisseur statique et mieux garantir la continuité de service en mode dégradé. Notons que nous utilisons le terme reconfiguration pour qualifier toute action permettant d’assurer une tolérance aux défauts, qu’elle soit au niveau du système lui-même (reconfiguration matérielle) ou au niveau de la commande (reconfiguration de la commande) [YBAL14].

4.3.1 PRINCIPE

Le principe repose sur l’utilisation d’un mécanisme de reconfiguration permettant à la fois de réadapter la commande et de reconfigurer l’architecture du convertisseur en cas de perte d’une cellule. Il permet également d’assurer un fonctionnement en mode dégradé par une reconfiguration de la commande en présence d’un défaut capteur[BoCL09].

Pour cela, le module de reconfiguration doit déterminer la configuration adaptée pour assurer la continuité de service en cas de defaut. En effet, la plupart des commandes tolérantes aux défauts sont réalisées en deux étapes :

- Une première étape de Détection du Défauts (DD), qui dans certains cas, en plus de la détection d’un éventuel défaut, permet l’isolation de l’élément défectueux.

- La seconde étape concerne la Reconfiguration de la Commande et du Système si nécessaire ou les deux en même temps : Elle assure la continuité de service du système comportant le défaut s’il est détecté. La reconfiguration se fait en développant des algorithmes basés sur des grandeurs mesurées du vecteur d’état du système, des observateurs ou encore des simples estimateurs [Abde10, Bous11]. Rappelons que sous conditions normales de fonctionnement, les signaux de commande des interrupteurs des cellules ont le même rapport cyclique et sont décalés de Td /q (avec Td la période de découpage et q le nombre de cellules à l’état initial). Connaissant le nombre de cellules saines et supposant connaitre la (les) cellule(s) dafaillante(s), le nouveau rapport cyclique est déterminé et le décalage des signaux MLI des commandes rapprochées des cellules saines est adapté. L’objectif est d’isoler la partie défaillante et assurer une continuité de service, tout en satisfaisant le besoin des charges connectées au convertisseur en termes de tension et de puissance d’alimentaion.

En fonction du type de défaut, le module de reconfigutaion détermine également la necessité de commuter de la commande classique (controleur PI) à une commande robuste (Backstepping). Ainsi, le bloc ‘switch’ (Figure IV.5) joue le roule d’un commutateur piloté par

FIGURE IV.5 : PRINCIPE DE L’ARCHITECTURE TOLERANTE AUX FAUTES MISE EN PLACE.

Dans cette partie, nous allons développer une commande tolérante aux défauts suivant deux types de défauts: la perte d’une cellule avec un semi-conducteur en position ouverte et un défaut d'une mesure bruitée de la tension en sortie du convertisseur. Nous supposons qu’un défaut de court-circuit est transformé en un défaut circuit ouvert à l’aide d’une protection active, et cela, en se basant sur les deux techniques de commande précédentes. L’étape de la détection de défauts n’a pas été étudiée dans ce travail, nous supposons connaitre sa sortie qui indique la cellule défectueuse (paramètre qi). Par la suite, un algorithme de reconfiguration de la commande après isolation du bras défectueux est proposé.

4.3.2 RESULTATS DE SIMULATION

4.3.2.1 DEFAUTS CIRCUIT OUVERT

Les principales causes conduisant à ce type de défaut sont liées à des problèmes de signaux de la commande rapprochée, des drivers ou de détérioration et de blocage à l’état ouvert des composants de puissance. Ce type de défaut produit une perte intermittente ou permanente de la cellule affectée [Rodr05].

Pour la suite, nous supposons qu’initialement le convertisseur contient trois cellules saines suivant le même cahier des charges utilisé auparavant et alimentant une charge de 0.5 kW. La Figure IV.6 ci-dessous présente les résultats de simulation sous l'environnement Matlab/Simulink dans le cas d’un défaut circuit ouvert affectant la 2^ème cellule à l’instant t=1s. Ces résultats sont présentés pour une commande classique avec un contrôleur de type PI.

A. TENSION DE SORTIE B. RAPPORT CYCLIQUE

C. COURANT GLOBAL EN SORTIE DES CELLULES D. COURANT DE LA 1ERE CELLULE

E. COURANT DE LA 2EME CELLULE F. COURANT DE LA 3 EME CELLULE FIGURE IV.6 : REPONSE DU CONVERTISSEUR EN PRESENCE D’UN DEFAUT CIRCUIT OUVERT AFFECTANT LA 2EME CELLULE

Nous constatons que la perte de la 2^ème cellule à t = 1s a amené le mécanisme de reconfiguration à isoler celle-ci à travers une adaptation des signaux de la commande rapprochée. Ainsi, les deux cellules restantes partagent équitablement les spécifications de la charge ce qui explique l’augmentation de leur courant pour compenser la perte de la 2^ème cellule.

Par ailleurs, la commande classique par contrôleur PI permet d’assurer une continuité de service sans perturber le système. Dans ce cas, la commutation vers une commande robuste n’est pas nécessaire dans ce cas.

A noter que l’utilisation d’un modèle moyen du convertisseur, faisant abstraction de la

0 0.5 1 1.5 2 0 5 10 15 t[s] [V ] V0 m e s Vre f 0 0.5 1 1.5 2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 t[s] Alpha 0 0.5 1 1.5 2 0 10 20 30 40 t[s] [A ] iL 0 0.5 1 1.5 2 0 5 10 15 20 t[s] [A ] iL1 0 0.5 1 1.5 2 0 2 4 6 8 10 12 t[s] [A ] iL2 0 0.5 1 1.5 2 0 5 10 15 20 t[s] [A ] iL3

‘douce’ afin de valider le principe de la reconfiguration. Cette étude doit être affinée en considérant la commutation à l’échelle de la période de découpage.

4.1.1.1 DEFAUTS CAPTEUR DE TENSION

Dans une boucle de commande, une mesure erronée peut conduire à des conséquences désastreuses notamment dans les moyens de transports. Cela peut être causé par des défauts propres aux capteurs (gain, offset, …) ou aux différents étages de la chaîne d’acquisition.

Dans ce paragraphe, nous considérons un défaut de bruit sur le capteur de tension en sortie du convertisseur (Figure IV.7).

FIGURE IV.7 : BRUIT SUR LE CAPTEUR DE TENSION EN SORTIE DU CONVERTISSEUR (TENSION NOMINALE 14V)

Afin d’assurer la continuité de service sans dégradation des performances du convertisseur, la reconfiguration de la commande doit se faire au plus tôt possible après la détection de la défaillance. L’idée ici est qu’une fois le défaut détecté, la reconfiguration est réalisée en remplaçant la commande classique (contrôleur PI) par une commande robuste.

Ces deux commandes sont préalablement synthétisées pour un fonctionnement en mode normal. La Figure IV.8 montre les principaux résultats de simulation obtenus pour cette reconfiguration. Notons que le bruit capteur est appliqué à t=0.8s et la commutation de la commande nominale vers la commande robuste s’effectue volontairement à t=1.2s.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 Bruit Temps(sec) Bruit

FIGURE IV.8 : REPONSE DU CONVERTISSEUR EN PRESENCE D’UN DEFAUT CAPTEUR DE TENSION AVEC RECONFIGURATION DE LA COMMANDE : COMMUTATION DE LA COMMANDE PI VERS LA COMMANDE ROBUSTE

Nous constatons que la commande classique de type PI n’arrive pas à rejeter la perturbation causée par le bruit du capteur de tension (tension et courants bruités) ce qui peut impacté le bon fonctionnement du convertisseur et sa charge. Cependant, ce bruit est atténué dès la commutation vers la commande robuste. Cette commutation ne présente quasiment pas de régime transitoire car la commande classique et la commande robuste sont calculées en parallèle.

A. TENSION DE SORTIE B. TENSION DE SORTIE (ZOOM)

C. COURANT EN SORTIE DES CELLULES D. COURANT EN SORTIE DES CELLULES (ZOOM)

E. COURANT DE LA 1ERE CELLULE F. COURANT DE LA 1ERE CELLULE (ZOOM)

Défaut Bruit Switch PI Robuste