Soutenance mémoire
ELEMENTS CONSTITUTIFS ET SYNTHESE DES CONVERTISSEURS
GENERALITES DES CONVERTISSEURS STATIQUES
Introduction
Un convertisseur statique d’énergie électrique est un dispositif qui permet de modifier la forme de l’énergie qu’il transmet, par la commande du groupement d’interrupteurs qui le constitue. Dans ce chapitre, on envisage des modes de commande à plus d’un créneau par période nécessitant des interrupteurs commandés à l’amorçage et au blocage. Le transistor constitue l’élément commandé. Il est unidirectionnel tout comme la diode. L’assemblage des deux composants permet de créer un bloc qui sera, lui, bidirectionnel Figure II – 0 : Interrupteur k Hypothèses • K est parfait (Vk = 0 en conduction, les temps de commutation sont négligés) • D est idéale • Le régime est établi II – 2 Les convertisseurs continu-alternatif (DC-AC) : Onduleur autonome II – 2.1 Introduction Les onduleurs sont les convertisseurs statiques continu-alternatif permettant de fabriquer une source de tension alternative à partir d’une source de tension continue. La figure suivante rappelle le schéma symbolique de l’onduleur. Figure II – 0 : Schéma de principe de l’onduleur Il est autonome lorsqu’il impose sa propre fréquence à la charge (par opposition à l’onduleur assisté ).
Principe de l’onduleur de tension L’étude des onduleurs de tension peut-être effectuée en considérant le bras représenté sur la figure II . On ferme alternativement les deux interrupteurs K1 et K2 de façon à imposer une tension alternative (et de forme carrée) à la charge. La commande est symétrique. Cette fonction ne prend que deux valeurs, 1 lorsque l’interrupteur K1 est commandé, K2 étant bloqué et -1 lorsque K2 est commandé, K1 étant bloqué.
Onduleur monophasé En monophasé, on peut utiliser deux montages différents : – le premier : le montage en demi-pont – le second : le montage en pont.
Onduleur de tension à 2 interrupteurs : montage en demi-pont Il ne nécessite qu’un bras d’onduleur et connecte la charge au point milieu de l’alimentation réalisé à l’aide de deux condensateurs identiquesA tout instant, le courant ich se partage à égalité entre les deux capacités. Comme pour l’onduleur monophasé, les fonctions de commande des trois bras permettent de définir le potentiel entre le point de sortie du bras et un point de référence. Si on prend comme précédemment le point milieu fictif de l’alimentation comme point de référence, on a pour la tension associée à la commande du bras de la phase m :Les tensions simples s’obtiennent donc directement à partir des fonctions de commande des bras. On peut noter que si les fonctions de commande constituent un système triphasé : (2.15) Figure II – : Les tensions simples aux bornes des phases alors la tension VN0 a pour valeur : (2.16) Figure II – : Tension VNO Il s’ensuit que les tensions VmN aux bornes des phases sont égales aux tensions de commande Vm0 privées de VN0 .
Introduction – Intérêt des hacheurs : Les hacheurs sont les convertisseurs statiques continu-continu permettant de fabriquer une source de tension continue variable à partir d’une source de tension continue fixe. La figure suivante rappelle le schéma de principe du hacheur.
Commande des interrupteurs La fonction de commande f caractérise la commande de l’interrupteur K.
Formes d’ondes en conduction discontinue En conduction discontinue la valeur moyenne du courant i est faible II -3.3 Hacheur deux quadrants.
Commande des interrupteurs K1 et K2 sont commandés simultanément par f avec le même état à la période T et un rapport cyclique α.
Hacheur quatre quadrants II
Stratégie de commande 2 K3 fonctionne à la fréquence de hachage alors que K2 est fermé en permanence si on souhaite une tension moyenne positive en sortie (K1 et K4 sont bloqués) K1 fonctionne à la fréquence de hachage alors que K4 est fermé en permanence si on souhaite une tension moyenne négative en sortie (K3 et K2 sont bloqués).
Principe et commandes des onduleurs multiniveaux
Principe de l’onduleur
Tout d’abord, nous présenterons le principe de l’onduleur à potentiel distribué, encore désigné onduleur NPC (Neutral Point Clamped), dans des conditions normales de fonctionnement. C’est une topologie basée sur la mise en série de cellules commutations à association de sources de tension avec distribution du potentiel commun L’onduleur multiniveau est une solution élégante au besoin d’accroissement de la tension de fonctionnement des onduleurs en permettant une mise en série aisée des semi-conducteurs. Les bras d’onduleur ou cellules de commutation sont composées de quatre interrupteurs synthétisés permettant d’obtenir une tension multiniveau modulée réversible. Le schéma d’un bras d’onduleur à trois niveaux est donné sur la figure III – 01. Comme le courant dans la charge est de signe alternatif, les semi-conducteurs requis sont composés d’un transistor et d’une diode en anti-parallèle. Les interrupteurs sont mis en série mais découplés par l’intermédiaire des diodes reliant le point milieu de l’alimentation au point milieu des interrupteurs. Ce point milieu de l’alimentation est réalisé à l’aide de deux capacités suffisamment importantes pour pouvoir être considéré comme constante et égale à E 2 V = la tension à leurs bornes. Dans ce mode de fonctionnement, chaque transistor voit à l’état ouvert la moitié de la tension aux bornes du diviseur, ce qui rend cet onduleur intéressant pour les applications en haute tension (traction, réseau électrique,…) III – 1.2 L’onduleur NPC-3 à un bras III – 1.2 1 Schéma de principe Tout au long de l’étude nous noterons : – Nd le nombre de diodes dans la topologie considérée, sans compter les diodes en anti-parallèle sur les transistors – Nc le nombre de condensateurs – Nt le nombre d’interrupteurs commandables
Commande des interrupteurs Les trois tensions de l’onduleur NPC-3 en pont triphasé étant les tensions de sortie de trois onduleurs NPC-3 à un bras. Ainsi les tableaux précédents restent valables avec quelques aménagements. Les commandes des bras sont décalées de 120°pour obtenir un système triphasé équilibré. Tableau de commande.
Commande des interrupteurs Les interrupteurs sont commandés en commutation à la période T avec un rapport cyclique α. Le rapport cyclique est défini comme : α = (temps de conduction) / T La forme analogue la plus simple d’avoir α est par comparaison d’un signal constant Sc et d’un signal en dent de scie Figure III – 0 : Comparaison d’un signal constant et d’un signal en dent de scie Figure III – 0 : Commande du hacheur à un bras Tableau de commande State com1 com2 VAO/2E 1 , 3 0 1 0.5 2 1 0 – 0.5 Tableau III – 0 : Tableau de commande du Hacheur à un bras – 0 < t < αT : les interrupteurs T2 et T4 sont commandés, T1 et T3 étant bloqués – α < t < T : les interrupteurs T1 et T3 sont commandés, T2 et T4 étant bloqués Si Sc varie, α varie et VAO varie Faisons varier Sc de façon sinusoïdale.
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Table des matières
REMERCIEMENT
RESUME
ABSTRACT
LISTES DES FIGURES FIGURES
LISTES DES TABLEAUX
LISTES DES SYMBOLES
INTRODUCT INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : ELEMENTS CONSTITUTIFS ET SYNTHESE DES CONVERTISSEURS
Introduction
Sources de tension et de courant
Source de tension parfaite
Source de courant parfaite
Remarques
Influence d’une inductance sur une source de tension
Remarques
Réversibilité des sources d’entrée et de sortie
Règles d’interconnexion des sources
Conclusion
Les interrupteurs
Interrupteur parfait
Interrupteur à semi-conducteur
Les différents types de composants semi-conducteurs possibles
Régime dynamique / Mode de commutation
Classification des interrupteurs
Synthèse des convertisseurs
Structure des convertisseurs
Liaison cellule de commutation – interrupteur
Fonctions réalisées
Conversion DC-AC : les onduleurs
Conversion DC-DC : les hacheurs
CHAPITRE II : GENERALITES DES CONVERTISSEURS STATIQUES
Introduction
Les convertisseurs continu-alternatif (DC-AC) : Onduleur autonome
Introduction
Principe de l’onduleur de tension
Onduleur monophasé
Onduleur de tension à 2 interrupteurs : montage en demi-pont
Onduleur en pont
Onduleur triphasé
Les convertisseurs continu-continu (DC-DC) : Hacheur
Introduction – Intérêt des hacheurs
Hacheur série
Hacheur deux quadrants
Hacheur quatre quadrants
CHAPITRE III :ETUDE DU PRINCIPE ET DES COMMANDES DES CONVERTISSEURS
Principe et commandes des onduleurs multiniveaux
Principe de l’onduleur
Onduleur NPC-3 à un bras
Shéma de principe
Commande des interrupteurs
L’onduleur NPC-3 en pont monophasé
Shéma de principe
Commande des interrupteurs
Onduleur NPC-3 en pont triphasé
Schéma de principe
Commande des interrupteurs
Principe et commandes des hacheurs multiniveaux
Principe du hacheur
Hacheur à un bras
Shéma de principe
Commande des interrupteurs
CHAPITRE IV : SIMULATION SUR SIMPORER 6.0 STUDENT VERSION
Introduction
Les étapes de la simulation
La Liste des Programmes de SIMPLORER
Simulation avec SIMPLORER
Démarrer SIMPLORER et Définir le Nom de l’Utilisateur
Créer un Nouveau Projet et démarrer « Simplorer Schematic »
La Fenêtre Principale de « Schematic »
Modeler avec les graphiques d’état
Exemple simple de simulations
CHAPITRE V :RESULTATS ET ESSAIS
Onduleurs multiniveaux
L’onduleur N.P.C à trois niveaux à un bras
L’onduleur N.P.C à trois niveaux en pont monophasé
L’onduleur N.P.C en pont triphasé
Hacheurs multiniveaux
CHAPITRE VI : ETUDE D’IMPACTS ENVIRONNEMENTAU
Les effets du courant électrique sur le corps humain
Secours aux électrocutés
La protection des personnes
La protection contre les contacts indirects
La protection contre les contacts directs
Effet inverse de l’environnement sur les appareils électriques
Utilisation et avantage des convertisseurs multiniveaux
CONCLUSION
BIBLIOGR BIBLIOGRAPHIE
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