Soutenance mémoire
Approche théorique sur la qualité de l’énergie
Dans un premier temps, on introduit les bases théoriques pour étudier les perturbations liées à l’onde électrique, la théorie généralisée de l’énergie électrique, l’origine et les effets des perturbations électriques .
Théorie généralisée de l’énergie électrique
La théorie classique de l’énergie électrique ne tient compte que des systèmes électriques basés sur des signaux sinusoïdaux et équilibrés. Cependant les signaux électriques présents sur les réseaux (surtout les courants) sont souvent perturbés et ils ne sont pas parfaitement sinusoïdaux ni équilibrés. Dans le domaine de la qualité de l’énergie, il est indispensable de bien connaître tous les échanges d’énergie entre le réseau et les différentes charges de façon à pouvoir compenser les éventuelles perturbations [18]. L’analyse des signaux non sinusoïdaux et déséquilibrés est basée sur deux concepts mathématiques qui sont les harmoniques et les composantes symétriques, qui permettent la décomposition des signaux électriques perturbés (non sinusoïdaux et déséquilibrés) en composantes idéales et perturbations. Le concept d’harmonique a été introduit par Joseph Fourier en démontrant que tout signal périodique non sinusoïdal peut être représenté par une somme ou série des sinusoïdes de fréquences discrètes. La composante zéro de la série dite de Fourier est la composante continue, tandis que la première composante est appelée composante fondamentale. Dans le cas des systèmes raccordés au réseau, celle-ci est une composante à la fréquence nominale du réseau (50Hz). Le reste des composantes de la série sont appelés harmoniques et sont multiples de la fréquence fondamentale .
L’outil principal pour étudier les déséquilibres sont les composantes symétriques. La principale propriété des composantes symétriques réside dans le fait que n’importe quel système triphasé déséquilibré peut être décomposé en trois composantes équilibrées : la composante directe, la composante inverse et la composante homopolaire. Cette décomposition est applicable à n’importe quel système triphasé. Dans le cas particulier du réseau électrique, on l’applique à la tension et au courant.
Bien que les susceptibilités des différents appareils à l’égard des harmoniques soient très diversifiées, on distingue schématiquement deux sortes d’effets possibles :
❖ Les effets quasi instantanés sur certains types d’appareillage, tels que l’électronique de puissance, calculateurs, relais, systèmes de contrôle et régulation, etc., la présence d’harmoniques sur les signaux provoque le déplacement du passage par zéro et des modifications de la valeur de crête de l’onde.
❖ Les effets à terme sur les machines tournantes et les condensateurs, qui se manifestent par des échauffements supplémentaires ; il en découle la destruction de matériel ou plus fréquemment une diminution de leur durée de vie par surcharge thermique .
Ce problème peut être abordé de deux façons :
• On pourrait essayer de réduire l’impédance du réseau, en théorie si l’impédance était nulle, la tension et le courant seraient complètement découplés et les harmoniques du courant n’auraient aucun effet sur la tension. Cette solution n’est pas abordable car elle exigerait des modifications très importantes et onéreuses.
• Ajouter des bifurcations au système de façon à introduire des voies privilégiées de circulation des harmoniques de courant qui évitent le réseau. Cette solution est la plus utilisée, connue sous le nom de filtrage d’harmoniques.
L’amélioration de la qualité de l’énergie
Une qualité de fourniture idéale n’est ni possible ni viable, car elle aurait un coût excessif. Le but des distributeurs d’énergie est d’assurer un niveau de qualité suffisamment élevée de façon à permettre le fonctionnement satisfaisant de la plupart des charges pendant la plupart du temps, et ce avec un investissement permettant une exploitation rentable du réseau. Normalement, ceci est le cas des pays développés où, mis à part les cas exceptionnels comme les orages de très grande intensité, catastrophes naturelles etc., la qualité de fourniture est plus qu’acceptable pour la grande majorité des clients.
Le rôle de l’Electronique de Puissance dans l’amélioration de la qualité de l’énergie
L’électronique de puissance peut jouer un rôle très important dans la plupart des actions d’amélioration de la qualité de l’énergie. Ainsi, elle peut être présente dans toutes les techniques d’amélioration basées sur des actions sur la charge (modification des caractéristiques et compensation des perturbations) et de minimisation des effets des perturbations (remplacement et compensation des perturbations) [18]. Ainsi dans le cas de la modification des caractéristiques de la charge, l’EP permet une alimentation graduelle des moteurs par exemple, de façon à éviter les surintensités au démarrage ou même de modifier la façon d’absorber de l’énergie du réseau, en remplaçant une source d’harmoniques importante comme un redresseur à diodes par une autre topologie à prélèvement sinusoïdal.
LES PERTURBATIONS INDUITES DANS LE RESEAU PAR LES CONVERTISSEURS STATIQUES ET PHENOMENE D’EMPIETEMENT
Les perturbations induites dans le réseaux par les convertisseurs statiques
Le réseau triphasé est perturbé par les récepteurs qu’il alimente
♦ Soit parce que ces derniers génèrent des harmoniques,
♦ Soit parce qu’ils absorbent des courants déséquilibrés,
♦ Soit parce qu’ils consomment de la puissance réactive.
Les deux premiers types de perturbations déforment ou déséquilibrent les tensions des réseaux dont l’impédance n’est pas nulle .le troisièmes réduite la puissance active que les générateurs, les transformateurs ou les linges peuvent produire ou transmettre. Les convertisseurs directement reliés au réseau alternatif sont les redresseurs, les gradateur, ils sont tous générateurs des d’harmoniques et la plus part consomment de la puissance réactive .
Propagation des harmoniques
Chaque courant harmonique se propage dans le réseaux, arrivant à un nœud il se partage entre les branches dans le rapport inverse de leurs impédances. En tout point, le produit du courant harmonique par l’impédance du réseau à la fréquence correspondante donne la tension harmonique. Le courant harmonique va donc plutôt vers les impédances faibles que l’impédance est elle-même plus faible [10]. Les calculs de propagation, montrent qu’en règle générale plus on s’éloigne du générateur d’harmoniques, plus la tension harmonique diminue car :
♦ Le courant diminue à cause des dérivations successives ;
♦ Surtout, en remontant du perturbateur vers le cœur du réseau, on rencontre des impédances de plus en plus faibles.
MODELISATION ET COMMANDE DE L’ONDULEUR DE TENSION
L’onduleur de tension, de par sa capacité à réaliser un grand nombre de fonctionnalités, a été naturellement mis à contribution pour réaliser des objectifs de compensation [18]. L’objectif de cette commande appliquée aux compensateurs est de déterminer les instants d’ouverture et fermeture des interrupteurs qui composent de façon à obtenir une tension de sortie, côté alternatif, qui suit le plus fidèlement possible la consigne (pas forcément sinusoïdale) en minimisant ses harmoniques non désirées (harmoniques de commutation) et ce, en optimisant l’amplitude pour une tension du bus continue donnée [18]. Le choix du type de commande dépend essentiellement de deux paramètres : d’une part des caractéristiques souhaitées de la tension de sortie (distorsion admissible, spectre basse fréquence souhaité, etc.) et d’autre part de la fréquence de découpage des semiconducteurs utilisables à la puissance de l’application. L’utilisation de techniques de commande à fréquences de découpage supérieures permet de repousser les harmoniques de commutation à des fréquences plus élevées et plus faciles à filtrer, ce qui permet un spectre de la tension de sortie de meilleure qualité. Ces techniques ne permettent pas seulement le contrôle du fondamental de la tension côté alternatif mais également de tout son spectre basse fréquence permettant ainsi une fonction supplémentaire : la compensation de perturbations harmoniques et de dynamiques rapides.
Configurations de l’onduleur de tension
Il y a deux configurations possibles pour l’onduleur de tension : avec ou sans neutre raccordé. L’onduleur à neutre raccordé consiste à connecter le neutre de la charge à un neutre créé au point milieu du bus continu de l’onduleur. Cette connexion autorise la circulation de courants homopolaires et permet de contrôler de façon découplée les tensions appliquées aux trois phases de la charge tout comme si elles représentaient trois systèmes monophasés. On utilisera donc cette configuration dans les applications de compensation de composantes homopolaires .
On peut distinguer d’une part les tensions des branches (va0, vb0 et vc0 par rapport à la borne négative du bus continu) qui sont directement fixées par la commande et d’autre part les tensions de phase (va, vb et vc par rapport au neutre de la charge N) qui peuvent dépendre non seulement de la commande mais aussi des caractéristiques de la charge. Pour trouver la relation entre ces deux tensions, on va supposer dans un premier temps que le neutre n’est pas raccordé et que l’onduleur est connecté à une charge triphasée équilibrée .
|
Table des matières
Introduction générale
CHAPITRE I : AMELIORATION DE LA QUALITÉ DE L’ONDE AVEC SYSTÈMES D’ELECTRONIQUE DE PUISSANCE
Introduction
I.1 Approche théorique sur la qualité de l’énergie
I.1.1 Théorie généralisée de l’énergie électrique
I.1.2 Origines et Effets des Perturbations Electriques
I.1.2.1 Les perturbations harmoniques
1.1.2.2 Les perturbations sur la valeur efficace de la tension
I.2 L’amélioration de la qualité de l’énergie
I.2.1 Le rôle de l’Electronique de Puissance dans l’amélioration de la qualité de l’énergie
CHAPITRE II : LES PERTURBATIONS INDUITES DANS LE RESEAU PAR LES CONVERTISSEURS STATIQUES ET PHENOMENE D’EMPIETEMENT
II.1 Les perturbations induites dans le réseaux par les convertisseurs statiques
II.1.1 Propagation des harmoniques
II.1.2 Les harmoniques produits par les redresseurs
II.2 Phénomène d’empiétement
II.2.1 Présentation de phénomène
II.2.2 Angle de commutation
II.2.2.1 calcule de l’angle de commutation
II.1.2.2 Chute de tensions∆1 Ud , ‘ ∆1 Ud
II.2.2.3 variation de l’angle de commutation ‘ µ en fonction de l’angle de retard α
II.2.2.4 variation de l’angle de commutation µ pour un angle de retard α nul (pont de diodes)
II.2.3 Effets des commutations
II.2.3.1 Altération de la forme d’onde des tensions
II.2.3.2 Déphasage des ondes de courants
II.2.4 Raté de commutation
II.2.5 Exemples de simulation à partir de plusieurs circuits de base
II.2.5.1 Cas d’un pont redresseur à diodes
II.2.5.1.1 Valeurs des éléments pour la simulation
II.2.5.2 Cas d’un pont redresseur à thyristors
II.2.5.2.1 Valeurs des éléments pour la simulation
II.2.5.2.2 Résultats des simulations
II.2.5.3 Interprétation des résultats
CHAPITRE III : MODELISATION ET COMMANDE DE L’ONDULEUR DE TENSION
Introduction
III.1 Configurations de l’onduleur de tension
III.2 Modélisation de l’onduleur de tension
III.2.1 Commande à la fréquence des grandeurs de sortie (pleine onde)
III.2.2 Commande à des fréquences supérieures
III.2.2.1 Commande en MLI (Modulation de Largeur d’Impulsion)
III.2.2.2 MLI vectorielle
III.3 Exemple de simulation d’un onduleur de tension avec neutre raccordé .
III.3.1valeurs et paramètre de simulation
III.3.2 cas ou m=9
III.3.2 cas ou m=100
III.4 Influence de l’indice de modulation
III.5 Résultats de simulation
III.6 Conclusion
CHAPITRE IV : INTRODUCTION A LA COMPENSATION PAR LES CONVERTISSEURS DE L’ECTRONIQUE DE PUISSANCE
IV.1 Briques Elémentaires des compensateurs D’EP
IV.1.1 Éléments Passifs Commutés (EPC)
IV.1.2 Onduleur de tension
IV.2 Topologies de compensation
IV.2.1 Compensation Série
IV.2.2 Compensation Shunt
IV.2.3 Compensation Universelle
IV.3 Conclusion
Conclusion générale
