Soutenance mémoire
Les progrès récemment réalisés dans les domaines de l’électronique de puissance et de la commande numérique ont permis depuis peu l’essor des variateurs de vitesse pour les machines à courant alternatif. Aujourd’hui ces machines peuvent remplacer celles à courant continu dans la plupart des entraînements à vitesse variable. Certes, si les moteurs à courant continu bénéficient toujours d’une certaine faveur dans le domaine industriel, il semble que les recherches de ces dernières années conduisent à une utilisation de plus en plus grande des moteurs à courant alternatif. Ces derniers (moteurs synchrones ou asynchrones) s’ils sont moins souples que les moteurs à courant continu pour le réglage de leur vitesse ont en revanche l’avantage d’être plus robustes et meilleur marché.
L’entraînement à vitesse variable des machines électriques était l’objectif de plusieurs études dans ces dernières années grâce à l’évolution technologique des convertisseurs statiques qui représentent le véritable cœur de tous système électrique. À partir d’une source d’énergie brute, ils doivent alimenter les différents circuits en énergie, avec un flux maîtrisé et adapté aux conditions de fonctionnement. Si l’on sait aujourd’hui remplir toutes les fonctions de conversion, les concepteurs s’efforcent d’améliorer continuellement certaines performances. La réduction du coût d’exploitation global est bien souvent le critère principal pour l’utilisateur final, cet objectif ultime doit être décomposé en plusieurs objectifs intermédiaires : augmentation du rendement, augmentation des performances dynamiques, réduction des perturbations, recherche d’une meilleure sûreté de fonctionnement.
L’évolution de ces qualités est largement due à l’amélioration des performances des semi-conducteurs de puissance qui a été très importante ces dernières années. Cependant, même si les performances des semi-conducteurs en tension, courant et rapidité peuvent être encore améliorées, nous approchons aussi la limite du tolérable. En effet, si le rendement et la compacité demandent des composants extrêmement rapides, il n’en est pas de même vis à vis des critères de perturbation, et même dans une certaine mesure de la sûreté de fonctionnement. De toute évidence, le composant miracle qui commuterait des kilos Volts et des kilos Ampères en quelques nanosecondes ne passerait pas inaperçu, mais il serait sans doute à peu près inutilisable .
Modélisation de la machine asynchrone
Description sommaire de la machine
la machine asynchrone triphasée comporte un stator fixe et un rotor mobile autour de l’axe de système de la machine. Dans les encoches régulièrement reparties sur la face interne du stator sont logés trois enroulements identiques, à P paires de pôles, leurs axes sont distants entre eux d’un angle électrique égale à 2π/3. Les phases du stator sont alimentées par un réseau triphasés de tension sinusoïdale à fréquence et amplitude constantes, ou par un onduleur de tension ou de courant à fréquences et a amplitude réglables.
– La structure électrique du rotor peut être réalisée : Soit par un système d’enroulement triphasé (rotor bobiné), raccordés en étoile à trois bagues sur lesquelles frottent trois balais fixes accessible par la plaques à borne et mis en court- circuit pendant les régimes permanents.
– Soit par une cage conductrice intégré aux tôles ferromagnétiques (rotor à cage).
Principe de la variation de la vitesse des machines asynchrones
Les machines synchrone, asynchrone et à courant continu sont naturellement réversibles. Pour bénéficier de cette propriété, il faut que le convertisseur et la source soient également réversibles. Si la source ne l’est pas on ne peut pas récupérer l’énergie lors d’une phase de freinage de la machine mais on peut la dissiper dans des rhéostats (réversibilité dissipatrice). Le choix d’une structure convertisseur/machine 1, 2 ou 4 quadrants repose exclusivement sur le cahier des charges.
• Quadrant I seul : la machine ne tourne que dans un seul sens de rotation, le couple est positif ou nul (accélérations contrôlées et décélération non contrôlées) .
• 2 Quadrants (I et II) : la machine ne tourne que dans un seul sens de rotation, le couple est positif ou négatif (accélérations et décélération contrôlées).
• 3 Quadrants (I et IV) : la machine tourne dans les deux sens de rotation (pour le sens inverse la charge est nécessairement entraînante), le couple est toujours positif (accélérations contrôlées et décélération non contrôlées).
• 4 Quadrants (I à IV) : la machine tourne dans les deux sens de rotation quelque soit la charge entraînée le couple est positif ou négatif (accélérations et décélération contrôlées).
Variation de vitesse de la machine asynchrone
Le point de fonctionnement (C, Ω) dans le quadrant I en r égime établi de l’ensemble machine plus charge se situe à l’intersection des caractéristiques Ce = f (Ω) du moteur et Cr =f (Ω) de la charge. Le réglage de la vitesse de la machine asynchrone est donc obtenu en agissant sur le couple qu’elle produit, soit, si l’on se réfère à son expression ci-dessus : le nombre de paires de pôles, la tension d’alimentation de la machine, le glissement ou la fréquence d’alimentation de la machine.
Réglage par variation du nombre de paires de pôles
Ce genre de réglage consiste à changer le nombre de pôles de la machine en changeant la connexion des enroulements statoriques, ce type de réglage ne peut être utilisé que pour les moteurs ayant la possibilité de changer la connexion de leurs enroulements statoriques, la gamme de vitesse est étroite, une mauvaise souplesse de réglage car les vitesses sont échelonnées.
Réglage par variation de la tension
Le couple électromagnétique de la machine asynchrone est proportionnel au carré de la tension d’alimentation statoriques. Il est donc possible d’envisager un ajustement de la vitesse au-dessous de la vitesse nominale en modifiant la tension d’alimentation statoriques avec un gradateur triphasé ou un autotransformateurs triphasé.
Réglage par action sur le glissement
L’utilisation de résistances rotorique permet un réglage de la vitesse au-dessous de la vitesse nominale mais avec un rendement déplorable. Avec le développement de l’électronique de puissance, au lieu d’utiliser un rhéostat triphasé, on alimente un redresseur par l’intermédiaire du rotor et la sortie du redresseur alimente un hacheur qui débite sur une charge resistive.Donc la résistance équivalente de rotor sera en fonction du rapport cyclique de l’hacheur .cette technique reste toujours applicable seulement pour les moteurs asynchrones à rotor bobiné.
Réglage par variation de la fréquence
La fréquence de rotation du moteur asynchrone est directement proportionnelle à la fréquence de la tension d’alimentation d’où la vitesse de synchronisme. La vitesse d’un moteur asynchrone peut être contrôlée au dessus et au dessous de la vitesse nominale en changeant la fréquence de la tension d’alimentation. On essaiera donc de créer pour les enroulements statoriques un réseau à fréquence variable ce sont les Onduleurs de tension.
On peut aussi chercher à injecter des courants dans les enroulements pour imposer le couple de la machine ce sont les Onduleurs de courant ou commutateurs de courant. On peut également convertir directement la fréquence du réseau industriel en une fréquence variable plus faible (de 0 à 1/3 de la fréquence réseau) à l’aide d’un cycloconvertisseur à commutation naturelle piloté lui aussi en fréquence en courant ou vectoriellement.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I Modélisation de la machine asynchrone
I.1 Description sommaire de la machine asynchrone
I.2 Principe de la variation de la vitesse des machines asynchrones
I.2.1 Schéma équivalent et expression du couple
I.3 Variation de vitesse de la machine asynchrone
I.3.1 Réglage par variation du nombre de paire de pôles
I.3.2 Réglage par variation de la tension
I.3.3 Réglage par action sur le glissement
I.3.4 Réglage par variation de fréquence
I.4 Mise en équation de la machine asynchrone triphasée
I.4.1 Hypothèses de simplification
I.4.2 Equation électrique de la machine asynchrone
I.5 Transformation de Park
I.5.1 Equations électriques
I.5.2 Equations magnétiques
I.5.3 Choix du référentiel
I.5.4 Equation de puissance et de couple
I.5.5 Equation mécanique
I.6 Modèle de la machine asynchrone alimenté en tension lié au champ tournant dans le repère (dq)
Chapitre II Etude des différentes techniques de commande des onduleurs à MLI
II.1 Notions sur les onduleurs
II.2 Classification des onduleurs
II.2.1 Onduleur non autonome
II.2.2 Onduleur autonome
II.2.2.1 Les onduleurs autonome de tension
II.2.2.2 Les onduleur autonome de courant
II.2.3 Les onduleurs à résonance
II.3 Types d’onduleurs autonome de tension
II.3.1 Les onduleurs monophasés
II.3.2 Les onduleurs triphasés
II.4 Les onduleurs multi niveaux
II.5 Principe de fonctionnement de l’onduleur triphasé
II.6 Types de commandes
II.7 Principe de la commande en MLI des onduleurs triphasés
II.8 La modulation de largeur d’impulsion
II.8.1 Principe de la modulation de largeur d’impulsion
II.8.2 Caractéristiques de la modulation de largeur d’impulsion
II.8.4 Types de modulation
II.8.4.1 Modulation naturelle
II.8.4.2 Modulation régulière
II.9 Technique de production d’onde MLI
II.9.1 Technique analogique
II.9.2 Technique numérique
II.9.3 Technique hybride
II.10 Différentes techniques de modulation de largeurs d’impulsion
II.10.1 La modulation linéaire multiples (UPWM)
II.10.2 La modulation sinusoïdale (SPWM)
II.10.3 La modulation sinusoïdale partielle (ou modifié) (MSPWM)
II.10.4 La modulation sinusoïdale avec porteuse bidirectionnelle
II.10.5 L’injection d’un harmonique 3 dans la référence
II.10.6 La modulation calculée
II.10.6.1 Analyse spectrale
II.11 La modulation vectorielle
II.11.1 Principe de la MLI vectorielle
II.11.2 La transformation de clarcke
II.11.3 Les configurations possibles
II.11.4 Définition de vecteur tension de contrôle désiré (vecteur de référence)
II.12 Principaux avantages du MLI
II.13 Modélisation de l’onduleur de tension triphasé
II.13.1 Modèle de commande
II.13.2 Calcul des tensions des noeuds
II.13.3 Calcul des tensions simples
II.13.4 Calcul des tensions composées
II.14 La qualité du signal
Chapitre III la commande vectorielle à flux rotorique orienté
III.1 Principe du contrôle vectorielle à flux orienté
III.2 Choix de référentiel
III.3 Contrôle vectorielle directe et indirect
III.3.1 Contrôle vectorielle direct
III.3.2 Contrôle vectorielle indirect
III.4 Expression générales de la commande
III.5 Découplage entrée sortie
III.6 Bloc de defluxage
III.7 Calcul de régulateurs
III.7.1 Introduction
III.7.2 Régulateur de vitesse
III.7.3 Régulateur de courant ids
III.7.4 Régulateur de courant iqs
Chapitre IV Simulation et Interprétations des résultats
IV.1 Simulation des différentes techniques de commande des onduleurs à MLI
IV.1.1 Simulation de la technique « modulation sinusoïdale triangulaire »
IV.1.1.1 Interprétation des résultats
IV.1.1.2 Conclusion
IV.1.2 Simulation de la technique « injection d’un harmonique 3 dans la référence »
IV.1.2.1 Interprétation des résultats
IV.1.2.2 Conclusion
IV.1.3 Simulation de la technique « modulation vectorielle »
IV1.3.1 Interprétation des résultats
IV.3.2 Conclusion
IV.1.4 Simulation de la technique « modulation calculée »
IV.3.1 Interprétation des résultats
IV.3.2 Conclusion
IV.2 Simulation de l’alimentation directe de la machine asynchrone
IV.2.1 Conclusion sur le démarrage direct de la machine asynchrone
IV.3 Simulation de l’association onduleur à MLI Sinusoïdale triangulaire- machine
IV.4 Simulation de la commande vectorielle à flux rotorique orienté
IV.4.1 Interprétation des résultats
IV.5.2 Conclusion
Conclusion générale
