Soutenance mémoire
Avec la diffusion croissante de l’électronique de puissance dans les équipements électriques, les courants absorbés sont de moins en moins sinusoïdaux. Le nombre et la puissance unitaire des charges non linéaires (variateurs de vitesse,…) entraînent une dégradation de la qualité de la tension des réseaux de distribution, notamment par une forte injection de perturbations harmoniques. Dans le contexte d’une production décentralisée, avec des possibilités de fonctionnement en réseau iloté, ces phénomènes sont facilement amplifiés et peuvent ainsi compromettre la qualité et la disponibilité de l’énergie distribuée. De ces différents constats découle l’intérêt d’analyser précisément les interactions entre les perturbateurs potentiels et les différents matériels du réseau d’alimentation.
Dans ce cadre, le laboratoire IREENA prévoit la mise en place d’un nouveau mini réseau de distribution électrique au sein de ses locaux. Cette installation permettra d’effectuer des essais dans des conditions réalistes et parfaitement maîtrisées. Elle constituera notamment une plate-forme d’analyse des perturbations conduites basses fréquences susceptibles d’apparaître sur un système électrique en présence de plusieurs convertisseurs de puissance. Un mode de fonctionnement iloté est prévu afin de traiter le cas des réseaux embarqués (navires…).
Au coeur des réseaux électriques, la machine asynchrone est la machine électrique la plus couramment utilisée dans les applications industrielles, de part sa simplicité de construction, sa fiabilité et son faible prix de revient. Elle permet la réalisation d’entraînements à vitesse constante sous une alimentation réseau ou à vitesse variable à l’aide de convertisseurs statiques. Ces sources d’alimentation sont généralement génératrices de perturbations harmoniques.
Les perturbations électromagnétiques
D’après la définition [CEI 61000-2-2], la compatibilité électromagnétique (CEM) est l’aptitude d’un appareil ou d’un système à fonctionner dans son environnement électromagnétique de façon satisfaisante et sans produire, lui-même, des perturbations électromagnétiques intolérables pour tout ce qui se trouve dans cet environnement. Ce domaine est particulièrement important car les dispositifs électriques et électroniques sont de plus en plus nombreux, complexes et stratégiques (avion, navire, train, usine…), donc vulnérables à la pollution électromagnétique avec des conséquences pouvant être critiques.
Le champ d’action de la CEM est vaste tant en terme de phénomènes physiques (foudre, décharges électrostatiques, rayonnements, courants conduits) qu’en terme de domaines d’application (télécommunications, équipements spatial et militaire, contrôle commande, instrumentation, électronique de puissance) ou en gamme de fréquence (de quelques Hz à quelques dizaines de GHz). Dans un but de clarté et d’uniformisation, il a été indispensable d’harmoniser les spécifications requises en matière de CEM. Pour réglementer ce domaine, les travaux de la Commission d’Electrotechnique Internationale (CEI) sur la CEM ont conduit à des normes et des recommandations de plus en plus contraignantes notamment en limitant les niveaux d’émission de ces perturbations. La série des normes de compatibilité électromagnétique qui définit ces limites est la CEI 61000.
Les modes de propagation des perturbations
La perturbation d’un équipement met en jeu trois éléments :
– La source de perturbation, décrite par sa puissance, sa durée, son spectre de fréquence et les champs qu’elle génère.
– Le vecteur par lequel la perturbation est transmise, c’est le mode de couplage.
– L’équipement victime de la perturbation.
Les sources de perturbations sont diverses et de différentes natures. Deux catégories principales se distinguent :
– Les sources naturelles (foudre,…).
– Les sources technologiques constituées d’appareils dont l’activité électrique est de nature à se propager à l’environnement.
Les phénomènes générant des perturbations électromagnétiques peuvent être classifiés selon leur mode de propagation ou selon leur gamme de fréquences qui est dite basse pour les fréquences inférieures à 9kHz et haute pour celles supérieures à 9kHz.
Les signaux parasites émis par une source perturbatrice sont propagés vers le récepteur victime de plusieurs façons liées à leurs environnements respectifs. Il existe deux modes de propagation [Costa]:
– si la source et la charge sont voisines, le couplage est dit proche et il peut être de nature capacitive, inductive ou résistive. Ces perturbations sont dites conduites [CEI61000-2-2], [CEI61000-2-4] et elles interviennent soit en mode commun (MC), soit en mode différentiel (MD).
– si la source et la charge sont éloignées et sans liaison galvanique, on parle de perturbations rayonnées. Elles sont alors propagées sous forme de champ électrique et de champ magnétique.
Les perturbations conduites basses fréquences
La qualité de l’énergie électrique (QEE) est devenue un sujet stratégique pour tous les acteurs intervenant dans la production et la consommation d’énergie électrique (producteurs, transporteurs, constructeurs d’équipements, consommateurs). En effet, la multiplicité des équipements sensibles aux perturbations au sein d’un même procédé exige une alimentation électrique de plus en plus performante en terme de continuité de service et de qualité. De plus, la dégradation de la QEE conduit généralement à une réduction du rendement énergétique et au vieillissement prématuré des équipements électriques avec un risque accru de pannes.
La mesure de la QEE consiste habituellement à caractériser les perturbations électromagnétiques conduites basses fréquences [CT N°199], [CEI 61000-2-2] :
– Le creux de tension : c’est une baisse brutale de la tension en un point d’un réseau d’énergie électrique suivie d’un rétablissement de la tension après un court laps de temps compris entre dix millisecondes et une seconde.
– La surtension : c’est toute tension appliquée à un équipement dont la valeur de crête sort des limites d’un gabarit défini par une norme ou une spécification [CEI61000-2-2], [CT N°141], [CT N°151] et [CT N°179].
– Les fluctuations de tension : ce sont une suite de variations cycliques ou aléatoires de l’enveloppe de la tension (inférieure à 10 % de la tension nominale).
– Les déséquilibres : lorsque les trois tensions ne sont pas égales en amplitude et/ou ne sont pas déphasées les unes par rapport aux autres de 120°.
– Les harmoniques : toute fonction périodique peut se décomposer en une somme de sinusoïdes de fréquences multiples du fondamental f (fh=h.f, h : entier). Les composantes fréquentielles de rang h sont appelées des harmoniques et représentent la distorsion du signal par rapport à la forme d’onde sinusoïdale. Cette distorsion est équivalente à la superposition sur le signal « idéal » d’une ou de plusieurs composantes sinusoïdales à des fréquences « indésirables » (harmoniques). Dans les réseaux de distribution, ces fréquences indésirables sont principalement produites par les modules de conversion d’électronique de puissance inclus dans les équipements électriques.
– Les interharmoniques : ce sont des composantes sinusoïdales, qui ne sont pas à des fréquences multiples entières de la fréquence du fondamental. Elles sont donc situées entre les harmoniques. Dans la partie suivante, nous présentons les perturbations harmoniques et interharmoniques générées par un ensemble redresseur-onduleur de tension.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 : Modélisation fréquentielle de la machine asynchrone
I Introduction
II Les perturbations électromagnétiques
II.1 Les modes de propagation des perturbations
II.2 Les perturbations conduites basses fréquences
II.3 Harmoniques et interharmoniques
II.3.1 Approche théorique sur les variateurs de vitesse
II.3.2 Résultats expérimentaux
II.3.3 Conséquences des harmoniques et des interharmoniques
III Modélisation type circuit de la machine asynchrone
III.1 Modèle sinusoïdal de la machine asynchrone
III.2 Modèles fréquentiels
III.2.1 Modélisation d’un conducteur massif
III.2.2 Modélisation fréquentielle de la machine asynchrone à cage
IV Conclusion
Chapitre 2 : Méthodes de mesure en vue de l’identification paramétrique des modèles fréquentiels de la machine asynchrone
I Introduction
II Description du banc d’essais expérimental
III Essais classiques en vue de l’identification de la MAS
III.1 Essai en continu
III.2 Essai à vide
III.3 Essai à rotor bloqué
IV Essais fréquentiels en vue de l’identification de la MAS
IV.1 Essais à tension constante et à fréquence variable
IV.1.1 Présentation des mesures
IV.1.2 Analyse des résultats de mesure
IV.2 Essais par la méthode SSFR (V/f = cst)
IV.3 Essais avec une composante continue et sinusoïdale de courant
V Conclusion
Chapitre 3 : Identification fréquentielle des modèles de la machine asynchrone
I Introduction
II Les algorithmes d’identification : la méthode du modèle
II.1 Présentation de la méthode du modèle
II.2 Méthodes d’optimisation
II.2.1 Méthodes déterministes
II.2.2 Méthodes non-déterministes
II.2.3 Compromis exploration et exploitation
III Comparaisons des modèles de la machine asynchrone
III.1 Identification des modèles avec les essais avec offset de courant
III.1.1 Modèle en échelle
III.1.2 Modèle d’ordre ½
III.1.3 Modèle harmonique
III.2 Simulation
III.3 Comparaison des réponses temporelles et fréquentielles des modèles
III.3.1 Réponses du modèle en échelle
III.3.2 Réponses du modèle harmonique
IV Comparaison des types de mesure en vue de l’identification du modèle harmonique
IV.1 Identification du modèle harmonique
IV.1.1 Essai à tension constante
IV.1.2 Essais avec la méthode SSFR
IV.2 Comparaison des réponses temporelles et fréquentielles du modèle harmonique
V Conclusion
Chapitre 4 : Exploitation du modèle harmonique
I Introduction
II Machine asynchrone alimentée par le réseau
II.1 Réseau idéal
II.1.1 Simulation
II.1.2 Mesures
II.2 Réseau perturbé (alimentation non sinusoïdale)
II.2.1 Simulation
II.2.2 Mesure
II.3 Performances du modèle harmonique
II.3.1 Comparaison du modèle harmonique au modèle au fondamental
II.3.2 Comparaison du modèle harmonique à des modèles usuels dédiés aux réseaux électriques
II.4 Conclusion
III Machine asynchrone alimentée par un convertisseur
III.1 Courant de ligne côté machine
III.2 Courant de ligne côté réseau
IV Pertes liées aux harmoniques
V Conclusion
Conclusion générale et perspectives
Annexe
