Soutenance mémoire
Depuis plusieurs années, l’étude des performances des moteurs asynchrone alimentés par des onduleurs fait l’objet d’innombrables publications scientifiques. Les possibilités de la variation de vitesse par machine à courant alternatif intéresse tout les domaines industriels et technique ; le moteur asynchrone attire particulièrement l’attention à cause de sa robustesse et son faible coût de fabrication. L’avènement de l’électronique de puissance à semi-conducteurs et le grand nombre de convertisseurs développés récemment permettent le choix d’une association optimale d’un moteur à courant alternatif et d’un onduleur de tension ou de courant à deux niveaux ou multiniveaux. Parmi les moteurs à courant alternatif, la machine asynchrone présente une grande dynamique de réglage et autorise des vitesses élevées. Le moteur à cage offre en plus une grande puissance massique et constitue une machine fiable grâce à l’absence du collecteur. L’électronique de puissance est l’ensemble des disciplines qui permettent d’adapter une source d’énergie électrique à une charge pour laquelle elle n’est pas adaptée et dans la plupart des cas, de réguler le débit énergétique de façon simple pour l’adapter à un besoin particulier. L’apparition et le perfectionnement de nouveaux composants de puissance commandables à, l’ouverture et à la fermeture tels que les GTO et IGBT, ont permis la conception de nouveaux convertisseurs fiables, rapides et puissants. Ainsi, l’ensemble des variateurs (convertisseur statique machine à courant alternatif) ont vu leurs coût diminuer considérablement. Les progrès accomplis dans le domaine de la micro-informatique (DSP, microcontrôleurs puissants et rapides) ont permis la synthèse d’algorithmes de contrôle de ces ensembles convertisseur machine plus performants et plus robuste.
Les onduleurs les plus connus jusqu’ici sont les onduleurs à deux niveaux. Toutefois, certaines applications comme la traction électrique exigent des variateurs asynchrones triphasés fonctionnant à des puissances et /ou vitesses élevées. Ces onduleurs à deux niveaux sont limités en tension (1.4KV) et en puissance (1MVA). Pour monter en puissance et en tension, on associe généralement plusieurs onduleurs en séries ou en parallèles, d’où une complication dans la commande et une augmentation du coût du système. Pour remédier à ces inconvénients, la solution naturelle consiste à réaliser une mise en série des éléments conducteurs de manière à réduire la tension à commuter en des valeurs plus petites et directement commutables par les semi-conducteurs actuels. Les onduleurs multiniveaux permettent d’augmenter la tension de sortie des convertisseurs statiques au delà des limites des semi-conducteurs.
Modélisation de la machine asynchrone triphasée
Hypothèses simplificatrices
La modélisation de la machine asynchrone est établie sous les hypothèses simplificatrices suivantes, :
➤ entrefer constant, effet des encoches négligeables ;
➤ Distribution spatiale sinusoïdale des forces magnétomotrices d’entrefer ;
➤ Circuit magnétique non saturé et parfaitement feuilleté ;
➤ Pertes ferromagnétiques négligeables ;
➤ L’influence de l’échauffement sur les caractéristiques n’est pas prise en compte ;
➤ La répartition de l’induction, le long de l’entrefer, soit sinusoïdale.
ONDULEUR TRIPHASE
Les onduleurs de tension, associés aux machines à courant alternatif, sont de nos jours très largement utilisés dans les systèmes d’entraînement industriels. En premier lieu, les progrès en matière de semi-conducteur ont permis la réalisation de convertisseurs statiques de plus en plus performants. En second lieu, l’évolution des techniques numériques, notamment l’utilisation sans cesse grandissante du processeur de signaux (DSP, « Digital Signal Processing « ) et des systèmes à base d’architecture reconfigurable (FPGA, « Field Programmable Gate Array « ), permet désormais d’exécuter en temps réel des algorithmes complexes de contrôle des convertisseurs. Compte tenu de ces deux principales avancées technologiques, les techniques de MLI ont été l’objet de recherches intensives pendant ces dernières décennies. Un nombre important de méthodes, différentes par leur concept et leur performance ont été développées. La simplicité d’implantation restant cependant encore un critère important. Nous nous contenterons ici de généralités sur les techniques de MLI pour un onduleur triphasé, puisque notre objectif est le contrôle de l’onduleur à six bras alimentant un moteur asynchrone.
RÉALISATION DES BRANCHES DE L’ONDULEUR
Chaque branche de l’onduleur est constituée de deux éléments de commutation et de deux diodes en parallèle. Les éléments de commutation doivent pouvoir travailler en commutation forcée. Les possibilités de réalisation sont donc multiples et dépendent principalement de la puissance mise en jeu. Dans le cadre de ce mémoire nous nous limiterons aux types commandables en fermeture et en ouverture RÉALISATION DES BRANCHES DE L’ONDULEUR
– Transistor bipolaire (<100kW)
– IGBT (<100kW)
– MOSFET (<20kW).
Les diodes en parallèles avec les éléments de commutation ne sont pas des éléments de protection. Elles servent à assurer la continuité du courant dans la charge inductive. Les éléments supplémentaires de protection sont fonctions du type d’élément de commutation choisis.
PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
L’onduleur triphasé est utilisé dans les applications de puissance. Le signal de gâchette de l’onduleur monophasé avancé ou retardé de 120° l’un par rapport à l’autre pour obtenir un système triphasé équilibré. Les enroulements du secondaire doivent être connectés en étoile ou en triangle. Il est préférable que le secondaire du transformateur soit connecté en étoile pour éliminer les harmoniques d’ordre impaires multiple de trois de la tension de sortie (n=3, 6, 9, 12…). Il est généralement clair que la performance d’un onduleur, avec toutes les stratégies de commutation, peut être liée avec le contenu d’harmonique de sa tension ou son courant de sortie. Les chercheurs de l’électronique de puissance ont toujours étudié beaucoup de techniques de commande pour réduire les harmoniques de tension de sortie .
Aujourd’hui, il y a plusieurs techniques de modulation qui sont appliquées aux topologies d’onduleur.
Fonctionnement de l’onduleur de tension triphasée en MLI
La modulation de largeur d’impulsions (MLI) consiste à générer par alternance de la tension alternative, une tension composée de plusieurs créneaux de largeur variable. Elle permet ainsi, d’obtenir un fondamentale de tension variable en amplitude et en fréquence, par conséquent, il est possible d’envisager la commande des machines à courant alternatifs par les grandeurs statoriques (VS, fS). Le choix d’une technique dépend du type de machine à commander, de la gamme de puissance, des semi conducteurs utilisés pour l’onduleur et de la simplicité d’implantation de l’algorithme. Ce sont finalement des critères de coût et de performance qui vont déterminer ce choix. Les critères de performances permettent d’évaluer et de comparer les qualités des différentes techniques de MLI.
Les techniques courantes
Dans cette partie, nous présenterons seulement les techniques de MLI dites en boucle ouverte, qui ne nécessitent en entrée que la référence des tensions désirées, par opposition aux techniques dites en boucle fermée qui au contraire utilisent des informations provenant de capteurs de courant (contrôle par hystérésis ou de vitesse).
La modulation sinus-triangulaire
Elle consiste à convertir une modulante (tension de référence au niveau commande), généralement sinusoïdale, en une tension sous forme de créneaux successifs, générée à la sortie de l’onduleur (niveau puissance). Au niveau électronique, son principe repose sur la comparaison de la modulante avec la porteuse (tension à haute fréquence de commutation). La valeur du rapport de fréquences entre la porteuse triangulaire (ou en dent de scie) et la modulante procède d’un compromis entre une bonne neutralisation des harmoniques et un bon rendement de l’onduleur .
Les techniques de modulation sont nombreuses, les plus utilisées sont : la naturelle, la régulière, l’optimisée (élimination des harmoniques non désirées), la vectorielle et la modulation à bande d’hystérésis. L’objectif de la MLI, c’est la minimisation ou la réduction des oscillations sur la vitesse, le couple et les courants. Cela permettra de réduire la pollution du réseau en harmoniques, avec minimisation des pertes dans le système par conséquent augmenter le rendement.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre1 Modélisation et simulation de la machine Asynchrone
1.1 Introduction
1.2 Modélisation de la machine asynchrone triphasée
1.2.1 Hypothèses simplificatrices
1.2.2 Modèle électrique
1.2.3 Modèle dynamique
1.2.4 Equation de tension
1.2.5 Equation magnétique
1.3 Application de la transformation de Park à la machine asynchrone triphasée
1.4 Modèle de la machine asynchrone dans le référentiel lié au stator (α, β)
1.5 Simulation da la machine asynchrone
1.6 Conclusion
Chapitre 2 Stratégies de commande des onduleurs de tension triphasée
2 Convertisseur de fréquence à circuit intermédiaire a tension continue (convertisseur U)
2.1 Généralité
2.2 Onduleur triphasé
2.2.1 Introduction
2.2.2 Réalisation des branches de l’onduleur
2.2.3 Principe de fonctionnement
2.2.4 Mode de fonctionnement de l’onduleur triphasé
a) Commande en plaine onde
b) Commande en onde décalée
2.3 Fonctionnement de l’onduleur de tension triphasée en MLI
2.3.1 Critère de performance
2.4 Les techniques courantes
2.4.1 La modulation sinus-triangulaire
2.4.2 Résultas de simulation
2.4.3 Résultat de simulation de la MAS (avec l’association de l’onduleur)
2.4.4 Résultat de simulation de la MAS alimentée en tension (avec onduleur et application d’une charge)
2.5 MLI sinusoïdale modifiée
2.6 Modulation par hystérésis (delta)
2.7 MLI vectorielle
2.8 Conclusion
Chapitre 3 La théorie de MLI vectorielle
3.1 Introduction
3.2 Onduleur de tension triphasé
3.3 Vecteur spatiale de tension
3.4 Modulation du vecteur spatiale (SVM)
3.5 Schéma de modulation vectorielle
3.5.1 Modulation vectorielle à séquence alignée à droite (SVM1)
3.5.2 Modulation vectorielle à séquence symétrique (SVM2)
3.5.3 Modulation vectorielle à séquence alternative du vecteur zéro (SVM3)
3.5.4 Modulation vectorielle à séquence non commutée du courant le plus élevé (SVM4)
3.6 Modulation vectorielle
3.6.1 Principe
3.6.2 Transformation de clarck
3.6.3 Le vecteur de tension désirée
3.7 Conclusion
Chapitre 4 Programmation et simulation d’un onduleur de tension triphasée alimentant un moteur asynchrone
4.1 Introduction
4.2 Présentation de l’environnement MATLAB/SIMULINK
4.3 Modélisation sous MATLAB/SIMULINK
4.3.1 Introduction aux S-function
4.4 Structure des principaux blocs de simulation
4.4.1 Bloc de tensions d’entrées
4.4.2 Bloc transformation triphasé biphasé
4.4.3 Bloc de détermination du secteur
4.4.4 Bloc de calcul des temps de commutation
4.4.5 Bloc des calculs des temps de commutation ta, tb et tc dans chaque secteurs
4.4.6 Bloc des signaux de commande de l’onduleur
4.5 Développement de la MLI vectorielle
4.5.1 Variation de la phase
4.5.2 Détermination du secteur
4.5.3 Rapports cycliques de chaque bras de l’onduleur
4.5.4 Les variations des rapports cycliques des trois interrupteurs supérieur
4.5.5 Temps de commutation de chaque composant
4.6 Application du bloc MLI vectorielle
4.7 Résultats de simulation
4.7.1 Première essai de simulation
4.7.2 Huitième essai de simulation
4.8 Interprétation des résultats
4.9 Rapports cycliques de chaque bras de l’onduleur (SVM2)
4.10 Résultats de simulation
4.10.1 Première essai de simulation
4.10.2 Sixième essai de simulation
4.11 Conclusion
Conclusions générales et perspectives
Références
