Contribution à L étude et la Réalisation Des convertisseurs AC /DC à M.L.I à Facteur de Puissance Unitaire

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1 REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE MOULOUD MAMMERI DE TIZI-OUZOU FACULTE DE GENIE ELECTRIQUE ET D INFORMATIQUE DEPARTEMENT D ELECTROTECHNIQUE THESE de DOCTORAT EN ELECTROTECHNIQUE Pésentée pa DENOUN Hakim Magiste de l EMP d Alge Thème Contibution à L étude et la Réalisation Des convetisseus AC /DC à M.L.I à Facteu de Puissance Unitaie Thèse soutenue publiquement le.././.. devant le juy d examen composé de: Pésident Saïd DJENNOUNE Pofesseu à L U.M.M.T.O Tizi-Ouzou Rappoteu Naceeddine BENAMROUCHE Pofesseu à L U.M.M.T.O Tizi-Ouzou Co-Rappoteu Salah HADDAD Pofesseu à L U.M.M.T.O Tizi-Ouzou Examinateu Labi REFOUFI Pofesseu à L U.M.B.Boumedès Examinateu Jean-Piee BARBOT Pofesseu à L E.N.S.E.A de Pais Examinateu Hocine BENALLA Pofesseu à l U.M.C.Constantine Invité Malik GHANES Maite de conféences(h.d.r) à l E.N.S.E.A de Pais

2 Cette thèse est consacée à l étude et à la éalisation des convetisseus AC/DC à M.L.I à facteu de puissance unitaie. Les tavaux pésentés dans cette thèse ont été effectués au sein du laboatoie des Technologies Avancées du Génie Electique (LATAGE) du dépatement d électotechnique de l univesité Mouloud Mammei Tizi-Ouzou. Pou avoi consenti à examine ce tavail, je tiens à emecie tès sincèement : Monsieu S.Djennoune pofesseu à l Univesité de Tizi-Ouzou, d avoi bien voulu me faie l honneu de péside mon juy de thèse, témoignant ainsi de l intéêt qu il pote à ce tavail ; Monsieu N.Benamouche Pofesseu à l Univesité de Tizi-Ouzou qui a diigé ces tavaux de echeches et dont j ai pu appécie la compétence et la gentillesse. Monsieu S.Haddad Pofesseu à l Univesité de Tizi-Ouzou, qui a suivi ces tavaux de echeches et pou ses entetiens constuctifs qui accompagnent un tavail de echeche. Monsieu J.P.Babot pofesseu des Univesités ENSEA de Pais, pou m avoi accueilli dans son laboatoie : qu il touve ici ma pofonde econnaissance pou la confiance qu il ma accodée. Monsieu L.Refoufi pofesseu à l Univesité de Boumedès, pou avoi accepté de juge ce tavail et qu il ait accepté d ête pami les membes de juy de cette thèse. Monsieu H.Benalla pofesseu à l Univesité de Constantine, pou l intéêt qu il manifeste en paticipant à ce juy. Monsieu M.Ghanès, maîte de conféences(h.d.r) à l ENSEA de Pais qui a accepté de paticipe à cette soutenance en qualité d invité. Je emecie aussi tès sincèement : tous ceux et celles qui me sont ches, Toutes les pesonnes qui ont contibué de pès ou de loin à l aboutissement de ce tavail.

3 Sommaie 3

4 SOMMAIRE Intoduction généale.. Chapite I Petubations des éseaux et pincipes de compensation.. 8 Chapite II Etude analytique et caactéisation du fonctionnement du edesseu à M.L.I. 5 Chapite III Modélisation Régulation - ésultats de simulation Chapite IV Réalisation patique et ésultats expéimentaux Conclusion généale.. 65 Annexes 68 Réféences bibliogaphiques 75 4

5 Notations utilisées 5

6 Notations utilisée Bloc souce -Convetisseu AC/DC et DC/AC ϕ : angle de déphasage du fondamental de i pa appot à v ; δ : angle de déphasage de la modulante pa appot à V ; θ : Lageu de céneaux ; ω = πf : Pulsation du éseau d'alimentation ; c : condensateu de filtage ; E : F.C.E.M d'une chage active ; f : féquence du éseau d'alimentation ; f : féquence de la poteuse ; fo : féquence de la poteuse associée à l'onduleu ; G bf, : fonctions de tansfet en boucle femée; G boi, G boc fonctions de tansfet en boucle ouvete; I : amplitude du couant de éseau ; (i 3 ) : vecteu tiphasé des couants de éseau ; i c : couant tavesant le condensateu ; i d : couant dans la chage ; i : couant à l'entée du edesseu monophasé ; I : fondamental du couant i (notation complexe) ; i, i, i 3 : couants éseau su les phases,, 3 ; i lmes, i mes, i 3mes : couants de éseau mesués su les phases,, 3 ; i ef, i ef, i 3ef : couants de éseau de éféence su les phases,, 3 ; i efi : limite inféieue de la bande d hystéisis ; i efs : : limite supéieue de la bande d hystéisis ; i s : couant à la sotie du convetisseu ; I s : valeu efficace de l'hamonique d'ode de i s ; K i, k p : coefficients des coecteus popotionnel et intégal ; K ef : coefficient pou le calcul des éféences en couant ; L d, R d : inductance et ésistance d'une chage passive ; L, R : inductance et ésistance équivalente du éseau et de l'autotansfomateu amenée au secondaie à l'entée du edesseu ; m, : indice de modulation et coefficient de églage associés au edesseu ; mo, o : indice de modulation et appot cyclique associés à l'onduleu ; N c : nombe de commutations pa altenance ; P: nombe d'impulsions pa altenance ; P: puissance active ; P ef : puissance active de éféence ; Q : puissance éactive ; Q ef : puissance éactive de éféence ; R, R, R 3 R d, R q : coecteus ; S i : fonction logique associée au bas d un convetisseu AC/DC et DC/AC tiphasé ; 6

7 T c : constante de temps coté continu ; T n : constante de temps coté éseau ; U d : tension constante (tension du bus continu) ; U : fonction logique associée au convetisseu monophasé AC/DC; u e, u e3, u e3 : tensions composées à l entée du edesseu tiphasé; u e : tension à l'entée du edesseu monophasé ; u e, u e, u e3 : tensions à l'entée du edesseu tiphasé (tension pa appot au neute de la souce) ; û el : fondamental de la tension ue (notation complexe) ; U e : valeu efficace du fondamental de u e ; U e0 : valeu efficace du fondamental de u e pou une commande en pleine onde ; Ueh : valeu efficace de l'hamonique d'ode h ; V : amplitude de la tension du éseau ; V c : tension aux bones de condensateu ; V cmes : tension de capacité mesuée ; V cef : tension de capacité de éféence ; v p,v m : l'onde poteuse et modulante associée au edesseu ; y p0,e i : l'onde poteuse et modulante associée à l'onduleu ; V, V, V 3 : tension éseau su les phases,, 3 V eff : valeu efficace de v. Machine Asynchone θ : angle ente la phase statoique a s et la phase otoique a ; θ s : angle ente la phase statoique a s et l axe diect d ; θ : angle ente la phase otoique a et l exe diect d ; Kf : coefficient des fottements visqueux ; M σ = - s : coefficient de dispesion ; L s L Г e : couple électomagnétique ; Г : couple ésistant ; i i (i=-3) : couants de la phase i de la MAS ; L s, L, L m : inductance pope cyclique du stato, oto, mutuelle ente stato et oto. J : moment d entie de l abe du moteu ; P p : nombe de paies de pôles ; ω s : pulsation des gandeus électiques statoiques ; ω : pulsation des gandeus électiques otoiques ; v i (i = -3) : tension de la phase i de la MAS ; Ω : vitesse mécanique du oto ; Aconymes I.G.B.T : Insulated-Gate Bipola Tansisto ; M.L.I: Modulation Lageu Impulsions; THD : Total Hamonic Distotion. 7

8 Intoduction généale 8

9 Intoduction généale Le nombe de convetisseus accodés aux éseaux de distibution de l énegie est en constante pogession. Les puissances installées pogessent elles aussi. Ces convetisseus ne sont pas sans pose quelques poblèmes au distibuteu d énegie qui les voit comme étant des souces polluantes. Cette pollution est essentiellement de deux types. D une pat, il s agit de la pollution hamonique. En effet, ces convetisseus absobent des couants non sinusoïdaux qui défoment la tension du éseau pa l intemédiaie de l impédance de cout-cicuit de celui-ci. D aute pat, ils consomment de la puissance éactive qui a pou conséquence de dégade le facteu de puissance. Les ègles de limitation de la pollution hamonique sont devenues tès sévèes et bien entendu chaque usage est tenu d enaye dans la mesue du possible cette pollution. Dans les installations déjà existantes, la solution est le filtage passif ou actif. Mais dans les nouvelles installations les solutions passent soit pa l augmentation de l indice de pulsation des convetisseus (pont dodécaphasé), soit pa la tansposition aux convetisseus AC-DC des techniques aupaavant utilisées pou les convetisseus DC-AC (Onduleus à Modulation de Lageus d Impulsions). Cette denièe est devenue possible gâce au développement de la technologie des semi-conducteus et à l appaition des composants de puissance tels que l IGBT (Insulated Gate Bipola Tansisto) et le GTO (Gate Tun Off Thyisto). Contaiement aux edesseus non commandés, les edesseus à Modulation de Lageu d impulsions offent plusieus possibilités : - Consomme un couant poche d une sinusoïde en éduisant son contenu hamonique et éduie pa conséquent la taille des filtes. - Contôle la puissance éactive absobée (facteu de puissance unitaie). - Assue un tansfet bidiectionnel de la puissance. - Dépollue le éseau en assuant la fonction de filte actif. Ces qualités font que ces convetisseus occupent actuellement une place impotante dans le domaine de la convesion de l énegie (Actionneus asynchones, Généatices Asynchones à Double Alimentation (GADA), etc). Note tavail s inscit dans le cade de la modélisation et de la éalisation expéimentale d un convetisseu AC/DC destiné à l alimentation d un ensemble «onduleu à MLI Machine asynchone». Ce convetisseu doit éponde au cahie de chages suivant : - Commande à Modulation de Lageu d Impulsions à base d une cate DSP TMS30LF407 et puis une cate Dspace Assue une tension de sotie constante (égulation de la tension continue). - Assue un fonctionnement à facteu de puissance unitaie. - 9

10 Le tavail que nous avons éalisé au sein du Laboatoie de echeche LATAGE de la faculté de Génie Electique et d Infomatique de l Univesité Mouloud MAMMERI de Tizi-Ouzou s aticule autou de quate chapites. Le pemie chapite taite de la poblématique des hamoniques, de leus effets néfastes à cout et à long teme et des solutions qui sont appotées. Le convetisseu objet de note étude s inscit pami les solutions modenes de la dépollution hamonique. Dans le second chapite, le pincipe de fonctionnement du edesseu à MLI est pésenté. Les limites de stabilité des difféents égimes de fonctionnements sont établies. Une étude analytique détaillée de la commutation est ensuite effectuée. Celle-ci nous pemetta de dimensionne coectement les dispositifs de potection des composants semi-conducteus (Cicuit Snubbe). La modélisation du edesseu muni de la statégie de commande SPWM (Modulation de Lageu d Impulsion, statégie tiangulo-sinusoïdale) fait l objet du toisième chapite. Deux types de chages du edesseu sont considéés : une chage passive (cicuit séie ésistif inductif) et une chage active (ensemble onduleu à MLI associé à un moteu asynchone). Le pincipe de la égulation en cascade est ici etenu pou dimensionne les égulateus de couant (boucle intene) et le égulateu de tension continue (boucle extene). Des ésultats de simulation, d abod d un edesseu monophasé puis d un edesseu tiphasé seont pésentés et discutés. Dans le quatième chapite, nous pésentons le dispositif expéimental éalisé au sein de note laboatoie. Il s agit d un edesseu monophasé et tiphasé commandé en Modulation de Lageu d Impulsions pa la cate DSP TMS30LF407 et la Dspace 03 espectivement. L achitectue de cette cate et le kit de développement, leus algoithmes de commande et les autes cates éalisées (cates capteus, cate d inteface, de conditionnement, de puissance) sont détaillés dans ce chapite. Les ésultats expéimentaux sont pésentés et analysés. La conclusion généale vienda synthétise les ésultats obtenus, tie les pincipaux enseignements et établi une liste de tavaux à effectue dans le futu. 0

11 Chapite I Petubations des éseaux et pincipes de compensation

12 Plan du chapite I I.. Intoduction..... I.. Poblématique des hamoniques,.... I... Les hamoniques... Intepétation des hamoniques I... Petubations induites.. I...3. Pincipales souces polluantes I.. Mesues et pévention des hamoniques... I... Mesue des hamoniques.. I... Péventions et nomes en vigueu. I...3. Containtes pou les nouveaux poducteus I..3. Les solutions pou compense les hamoniques... I..3.. Modification stuctuelle ou filtage passif. I..3.. Compensation active.... I Le edesseu à M.L.I.. 30 I.3. Etat de l at et objectifs. I.4. Conclusion

13 Chapite I Petubations des éseaux et pincipes de compensation I.. Intoduction Un éseau électique est destiné à assue la distibution de l énegie électique ente des poducteus et des consommateus. Ces éseaux pennent des fomes diveses, tension nominale compise ente 0V et 00KV (000KV en Sibéie pa exemple), tiphasé ou monophasé, à féquence vaiable ou à féquence fixe. La stabilité du éseau taduit la bonne confomité des tensions et féquences pa appot à un cahie des chages fixé. Ceci constitue une donnée essentielle pou assue le bon fonctionnement du dispositif de tanspot d énegie. La qualité de l énegie founie dépend diectement de la qualité de la tension au point de livaison. Cette tension subit des petubations généalement classées selon deux oigines distinctes : les petubations de tension, liées à l impédance des éseaux et à la ciculation de couants petubateus, comme les couants hamoniques, déséquilibés et éactifs liés à la chage. les petubations de tension (tensions hamoniques ou déséquilibées, ceux de tension...) causées pincipalement pa les poducteus d énegie électique. La pollution des éseaux électiques est un phénomène qui existe depuis l appaition du pemie éseau électique altenatif ou sinusoïdal, la fome sinusoïdale étant due à la fome d onde des tensions généées pa les altenateus. En effet, dès qu il existe un élément éactif dans un cicuit, il appaaît un déphasage ente la tension et le couant, ce qui induit une puissance éactive qui s expime pa un échauffement lié au déplacement des couants ciculant dans les éléments inductifs et capacitifs. Les appaeils issus de l électonique de puissance, allant des ponts de diodes jusqu aux alimentations de secous, génèent une pollution hamonique su les couants absobés pa ces appaeils. Cette pollution a un effet diect su le couant appaent qui tend à ête augmenté pou faie passe la même puissance active, la seule exploitable énegétiquement. Les petubations ayant pou cause diectement les tensions ne font pas patie de note étude, nous choisissons de nous consace à l étude des couants petubateus. Ce chapite est destiné à intoduie les notions liées à la pollution des éseaux électiques et pincipalement pa appot aux hamoniques de couant. Apès un appel su l'influence des couants hamoniques su le éseau, nous pésenteons une étude des petubations popes aux montages edesseus. Nous temineons pa quelques notes su les solutions utilisées pou éduie les petubations. Un état de l at des solutions sevant à situe le edesseu MLI et à fixe les objectifs assignés à cette thèse sea pésenté, avant de nous consace à la stuctue su laquelle l étude pote, le edesseu monophasé et tiphasé à MLI. 3

14 Chapite I Petubations des éseaux et pincipes de compensation I.. Poblématique des hamoniques Cette patie est destinée à pésente les hamoniques, leus effets à cout et à long teme, les nomes les concenant et les diveses solutions appotées. I... Les hamoniques I... Intepétation des hamoniques Le concept d hamonique est intoduit au début du XIXème siècle pa Joseph Fouie qui démonta que tout signal péiodique non sinusoïdal peut ête epésenté pa une somme ou séie de sinusoïdes de féquences discètes (équation I.). (I.) La composante zéo I 0 de la séie dite de Fouie est la composante continue, la pemièe composante dite de ang (h=) est appelée composante fondamentale. Pou les systèmes accodés à un éseau électique stable, la féquence de la composante fondamentale est considéée comme étant fixe (50Hz en Euope, 60Hz aux Etats Unis). Pou un éseau de bod, la féquence peut ête vaiable (éseau aéonautique). Le este des composantes de la séie de Fouie sont appelées hamoniques de ang h, où h désigne le numéo de la composante (le ang coespond au deuxième teme de la séie de Fouie qui aua une féquence double du fondamental). Fig. I. : Exemple d hamonique La figue (I.) donne l allue d un couant contenant un hamonique de ang 3. Dans les éseaux électiques tiphasés, les pincipales composantes hamoniques sont de ang 5, 7, et 3 (6 * h +/- ). 4

15 Chapite I Petubations des éseaux et pincipes de compensation I... Petubations induites Les tensions et couants hamoniques supeposés à l onde fondamentale conjuguent leus effets su les appaeils et équipements utilisés. Ces gandeus hamoniques ont des effets difféents selon les écepteus encontés : soit des effets instantanés, soit des effets à teme dus aux échauffements. Les effets instantanés sont pincipalement les petubations des dispositifs de égulation, pa exemple la commutation des thyistos losque le passage pa zéo de la tension est décalé. Les compteus d énegie à induction pésentent des eeus supplémentaies, des vibations et du buit appaaissent dans les tansfomateus et les inductances. Des petubations sont induites su les lignes à couants faibles (téléphone, contôle/commande, ligne feoviaie) situées à poximité du éseau pollué. Les effets à teme sont la fatigue mécanique des matéiaux due aux vibations ainsi que l échauffement des composants. Au niveau des condensateus, les petes dues à la conduction et à l hystéésis du diélectique sont popotionnelles en pemièe appoximation au caé du couant efficace. Au niveau des machines et des tansfomateus, des petes supplémentaies appaaissent (couant de Foucault, champs tounants hamoniques). En ce qui concene les câbles et les équipements, une élévation de la tempéatue sea la conséquence des couants hamoniques, cela engende des petes supplémentaies ayant pou cause l augmentation de la valeu efficace du couant, l élévation de la ésistance appaente de l âme avec la féquence et l augmentation des petes diélectiques dans les isolants avec la féquence. D une façon généale tous les équipements (tableaux électiques) soumis à des tensions ou tavesés pa des couants hamoniques ont des petes accentuées, et devont faie l objet de déclassement. Pa exemple, une cellule de condensateu est dimensionnée pou un couant égal à,3 fois le couant éactif de compensation. Ce sudimensionnement ne tient toutefois pas compte de l augmentation de l échauffement due à l effet de peau dans les conducteus. 5

16 Chapite I Petubations des éseaux et pincipes de compensation I...3. Pincipales souces polluantes La figue (I.) extaite des cahies techniques de Schneide Electic [BET00], pésente les pincipaux convetisseus qui gênèent des fomes d ondes tès iches en hamoniques. Type de convetisseu Schèma Allue du couant. Gadateu de lumièe ou de chauffage. Redesseu d alimentation à découpage pa exemple : odinateu, électoménage 3. Redesseu tiphasé avec condensateu en tête pa exemple : vaiateu de vitesse pou moteus asynchones 4. Redesseu tiphasé avec inductance de Filtage en continu, pa exemple : Chageu de batteie 5. Redesseu tiphasé avec inductance de lissage en altenatif, pa exemple : ASI de fote puissance Fig. I. : Fome du couant absobé pa quelques Chages non linéaies [BET00] Les ponts de diodes sont les plus pésents su les applications de puissance ca ils sont sans commande et ont une duée de vie impotante et un coût beaucoup plus faible que des solutions plus évoluées. Il existe aussi d autes types de chages comme pa exemple les fous à ac ayant un contenu spectal tès impévisible. A plus petite échelle, on touve toutes les gandes industies tetiaies : les hôpitaux qui consomment des couants hamoniques pa le biais des éclaiages, des alimentations à découpage d odinateus... 6

17 Chapite I Petubations des éseaux et pincipes de compensation I... Mesues et pévention des hamoniques I... Mesue des hamoniques La mesue de cette pollution est tès impotante ca elle pemet de caactéise les installations et de s assue de la bonne qualité de l énegie distibuée. Plusieus citèes existent pou mesue les petubations hamoniques mais c est le Taux de Distosion Hamonique qui est le plus couamment utilisé. On utilisea le teme T.H.D. (Total Hamonic Distotion) pou désigne le taux de distosion hamonique. T La qualité de ces mesues devient de plus en plus impotante. De ce fait, de nombeux fabicants poposent des instuments pou la mesue de toutes ces gandeus, ce qui n est pas du tout évident losque l on a des chages vaiables ou des éseaux non équilibés. 7

18 Chapite I Petubations des éseaux et pincipes de compensation I... Péventions et nomes en vigueu La C.E.I. (Commission Electotechnique Intenationale) et l I.E.E.E (Institute of Electical and Electonics Enginees) sont les deux pincipaux oganismes de nomalisation intenationaux dans le domaine de l électotechnique. La CEI est un oganisme officiel composé de comités nationaux de 63 pays, tandis que l IEEE est une association pofessionnelle. Ces deux oganismes éalisent la pincipale activité de nomalisation dans le domaine des petubations électiques au niveau mondial mais n ont pas une unifomité de citèes en ce qui concene la définition des inteactions ente le éseau et les chages connectées. Aujoud hui le teme le plus épandu dans le domaine scientifique et industiel, accepté et utilisé pa l IEEE, est celui de Qualité de l énegie. Ce concept détemine les paamètes qui définissent les popiétés du poduit électicité en conditions nomales, en temes de continuité de la founitue et des caactéistiques de la tension (symétie, féquence, amplitude, fome d onde). Pa conséquent, cette vision essaie de détemine les caactéistiques de la founitue électique afin de limite son influence su les difféentes chages connectées au éseau, et en même temps, de limite l influence des chages su le éseau de façon à évite la modification de ses caactéistiques. Deux sociétés de l IEEE tavaillent dans des domaines liés à la qualité de l énegie, IAS (Industial Applications Society) et PES (Powe Engineeing Society). Leus activités de nomalisation sont géées pa le comité SCC- (Standads Coodinating Committee on Powe Quality). Les deux nomes de qualité pincipales de l IEEE sont : IEEE 59 : 99, Recommended Pactices and Requiements fo Hamonic Contol in Powe Systems : cette nome détemine la pocédue pou contôle les hamoniques pésents su le éseau électique ainsi que les limites ecommandées de la pollution hamonique généée pa les clients et de distosion hamonique totale su le éseau [IE-9]. IEEE 59 : 995, IEEE Recommended Pactice on Monitoing Electic Powe Quality : cette nome éalise un bilan exhaustif et donne une définition de tous les phénomènes électomagnétiques qui ont lieu dans le éseau en fonction de leu contenu spectal, leu duée et leu amplitude [IE-95]. Tab. I. : Limites IEEE des émissions de couants hamoniques 8

19 Chapite I Petubations des éseaux et pincipes de compensation Le tableau (I.) pésente les caactéistiques de la nome IEEE 59 où Icc est le couant de cout-cicuit, Ich est le couant de chage nominale, V n la tension nominale et TDD est la distosion totale de la demande (distosion du couant pa appot à la demande maximale). La CEI n utilise le teme qualité de l énegie dans aucune de ces nomes. En evanche, elle utilise le concept de Compatibilité Electomagnétique. Ce concept est défini comme la capacité d un dispositif, équipement ou système à fonctionne de façon satisfaisante dans son envionnement électomagnétique sans intoduie de petubations électomagnétiques intoléables pou les autes [CEI0]. Les nomes de la CEI sont egoupées dans la publication CEI Cette publication est divisée en 6 paties dont on cite : CEI : Elle définit des limites d émission de couant hamonique pa les appaeils consommant moins de 6 A pa phase (sauf cetaines catégoies d appaeils - voi la nome). CEI : Entée en vigueu dans l Union Euopéenne en janvie 00, elle taite de la limitation des couants hamoniques injectés dans le éseau publique d alimentation pou des appaeils consommant des couants supéieus à 6A pa phase. Elle définit les limites des hamoniques du couant d entée qui peuvent ête poduit pa le matéiel soumi à l essai dans des conditions spécifiées. CEI : Denièe entée dans la églementation en 004, elle fixe les limites pou les couants hamoniques poduits pa les appaeils connectés aux éseaux publics basse tension ayant un couant appelé supéieu à 6 A et inféieu à 75 A pa phase. De ce fait, elle emplace la nome CEI qui este en vigueu pou des appaeils consommant plus de 75A. CEI Elle définit les niveaux de compatibilité dans les éseaux d installations industielles comme l illuste le tableau I.. Rappelons qu un niveau de compatibilité n est pas une limite absolue ; il peut ête dépassé avec une faible pobabilité. Tab. I. : Limites CEI des émissions de couants hamoniques (couant appelé pa les appaeils 6A pa phase de classe A). 9

20 Chapite I Petubations des éseaux et pincipes de compensation En Fance, EDF popose un contat dit " Emeaude " aux abonnés taif vet pa lequel il y a un engagement écipoque de qualité pou EDF et de limitation de pollution de la pat de l abonné. Toutes ces nomes consistent à sensibilise le consommateu ainsi que le fabicant d appaeils polluants pou le espect d une cetaine qualité de l énegie absobée, mais il se pose de plus en plus la question des "petits" poducteus qui se accodent su le éseau. Pou cela, on taitea deux cas, les pacs éoliens et les femes photovoltaïques. I...3. Containtes pou les nouveaux poducteus I...3. : Le cas des pacs éoliens Les containtes pou le accodement d une poduction décentalisée en HTA sont fixées en ce qui concene les limites d émission en couant pa l aêté du 7 mas 003 (en Fance) elatif aux conditions techniques de accodement au éseau publique des installations de poduction autonome d énegie électique : le gestionnaie d une installation de poduction dont la puissance de accodement est supéieue à 00 kva doit limite les couants hamoniques injectés su ce éseau. Les limites sont déteminées au poata de la puissance appaente maximale de l installation de poduction Pef. A chaque hamonique de ang n est associé un coefficient de limitation k h. Le gestionnaie de l installation doit limite ses couants hamoniques à la valeu où Uc est la valeu de la tension contactuelle, Pef la puissance appaente maximale de l installation de poduction. Les valeus pises pa le coefficient k h en fonction de l hamonique sont données dans le tableau (I.3). Tab. I.3 : Valeu du coefficient du taux d hamoniques I Le cas des femes photovoltaïques En Fance, depuis le 0 juillet 006, un aêté fixe les conditions d achat de l électicité poduite pa les installations utilisant l énegie adiative du soleil. L obligation d achat est un dispositif intoduit pa l aticle 0 de la loi du 0 févie 000, qui oblige EDF et les entepises locales de distibution (ELD) à achete, sous cetaines conditions, l électicité poduite pa cetaines filièes de poduction. Le doit concene seulement les installations dont la puissance installée est inféieue à MW. Les poducteus doivent s assue que leus onduleus pemettont de especte les nomes CEI , et : des elevés éalisés pa des expets doivent figue dans le dossie. 0

21 Chapite I Petubations des éseaux et pincipes de compensation I--3. Les solutions pou compense des hamoniques I..3.. Modification stuctuelle ou filtage passif Les solutions les plus simples et les pemièes utilisées (solutions passives ou modifications stuctuelles) pou taite diectement les hamoniques sont bien connues, telles que : Le déclassement de l installation électique : l utilisateu ne souhaite pas ésoude les poblèmes de pollution mais seulement se soucie de la bonne santé de ses équipements. Cette appoche, économiquement tès contaignante, ne s applique pas pou des installations nouvelles. L augmentation de la puissance de cout-cicuit : La puissance hamonique augmente losque la puissance de cout cicuit diminue si l on ne pend pas en compte les phénomènes de ésonance. On a donc intéêt à connecte les souces polluantes à un point du éseau où l impédance éseau est la plus faible possible en sépaant magnétiquement les difféentes chages. Les tansfomateus à couplage passif : cetains couplages du type tiangle zigzag pemettent de suppime les hamoniques de ang 3 et leus multiples au pix de l augmentation de l impédance de la ligne, et donc d une augmentation de la distosion de la tension. Les filte passifs : une solution intéessante pou suppime un ang d hamoniques est d accode un filte du type LC su cette féquence, mais cela implique quelques poblèmes : la conception de tels filtes s avèe assez délicate et nécessite une tès bonne connaissance du éseau au point de connexion de la souce. Des cas patiques soulignent de gos poblèmes de ésonances liés à la pésence de filte passif. Pou la dépollution d une feme éolienne de 3MW en Allemagne [Plo07], des phénomènes de ésonances sont appaues apès connexion de filtes passifs. L étude théoique leu a pemis de monte que cela était dû à des ésonances induites pa la longueu des câbles (une dizaine de km) de accodement des éoliennes. La seule solution qu ils aient pu mette en œuve était l usage de filte actif accodé de péféence au point de connexion global. Les filtes passifs constituent donc une solution bon maché mais avec un usage non systématique ca ils modifient les impédances des éseaux, ils ne sont pas flexibles et vieillissent plutôt mal. I..3.. Compensation active L utilisation d onduleu de puissance à base d inteupteus de puissance tels les IGBTs et les IGCTs est paticulièement adaptée à la compensation des hamoniques. Les onduleus pennent difféentes fomes en fonction de la natue des hamoniques à compense (couant ou tension), du type de éseau su lequel on accode l onduleu (basse, moyenne tension) et du type de chage à compense (stationnaie, vaiable). Il peut s agi d onduleu : de tension, de couant. deux niveaux, multi niveaux avec ou sans filte de accodement avec ou sans compensation passive mixée

22 Chapite I Petubations des éseaux et pincipes de compensation Fig. I.3 : Pincipe de la compensation active [BET00] La figue (I.3) pésente le pincipe d un compensateu actif de type paallèle qui pemet de compense les hamoniques de couant de la chage polluante. Le pincipe est d injecte un couant d égale amplitude et en opposition de phase avec les couants hamoniques de la chage afin d obteni un couant le plus sinusoïdal possible au niveau de la souce. Les filtes actifs pésentent d autes intéêts dus à leu topologie : Une adaptation à l évolution de la chage Une possible de compensation sélective des hamoniques La limitation de la puissance de compensation Un isque tès faible de ésonance ente le filte et l impédance du éseau La possibilité de compense la puissance éactive pou un coût élevé. Les pemies pincipes du filtage actif ont étés pésentés dès le début des années 970 [Sas7]. Les pemièes familles de filtes actifs paallèles et séie (solution adaptée à la compensation des tensions) appaaissent en 976 et sont éalisés avec des onduleus à tansistos contôlés en MLI [Gyu76]. Dans cette patie, nous epésenteons bièvement l évolution de ces deux types de filtes, mais nous étendons l étude aux stuctues mixtes et " exotiques existant dans la littéatue technique.

23 Chapite I Petubations des éseaux et pincipes de compensation I Filte actif paallèle Les filtes actifs paallèles sont les plus utilisés et les plus sujets aux echeches depuis plus de 30 ans. Le pincipe consiste à mette en œuve une souce de couant qui pemetta d injecte un couant de compensation en opposition de phase avec les couants hamoniques cées pa la chage comme le monte la figue (I.4). Cela a pou effet de ende le couant sinusoïdal au point de connexion et de limite ainsi, la popagation des couants hamoniques en amont. Il faut attende les années 80 pou que ces applications se développent, pofitant des amélioations des inteupteus de puissance. Les pemièes applications industielles aivent.[aka86] pou donne lieu à une véitable commecialisation dans les pays industialisés (plus de 500 filtes installés au Japon en 996) [Aka96]. Ces pemies pototypes ne compensaient que les hamoniques alos qu aujoud hui ils pésentent aussi d autes fonctionnalités : compensation d énegie éactive, équilibage des couants et éduction du flicke. De plus en plus d applications sont concenées pa les filtes actifs paallèles allant des applications éseaux aux industies loudes. Plusieus fabicants - ABB, MGE UPS, AIM Euope, Mesta elec onics poposent des gammes de compensateus ayant une puissance vaiant ente 0 et 000kVA. Fig. I.4 : Pincipe d un filte actif paallèle Ces filtes sont tiphasés, avec possibilité ou non de accode le neute et tavaillent su des tensions inféieues à 690 volts. I..3.. Filte actif séie Su la figue (I.5) un tansfomateu a été ajouté au point de connexion du filte. Il pemet d utilise le compensateu en souce de tension et d ainsi compense les hamoniques de tension. L utilisation industielle des filtes actifs séie uniquement est tès limité, son usage est pincipalement fait pou les compensateus globaux de puissance connus sous l appellation Unified Powe Quality Conditionnes (UPQC). Ces compensateus sont de plus en plus demandés et sujets à echeches. Les filtes actifs paallèles sont péféables aux filtes actifs séies ca ils emplissent plus de fonctions et en paticulie la compensation d énegie éactive. 3

24 Chapite I Petubations des éseaux et pincipes de compensation I Filte actif hybide Fig. I.5 : Pincipe d un filte actif séie Afin de éduie le dimensionnement et pa conséquent le pix des filtes actifs, l association de filtes actifs de faible puissance à des filtes passifs peut ête une solution. Dans ce cas on connectea en paallèle ou en séie des filtes passifs pou compense les hamoniques pépondéants. De nombeuses configuations existent [Sin05] combinant éléments passifs et filte actif séie ou paallèle. filte basé su un filte L-C-L [Lis05]. filte paallèle avec filte LC avec ou sans tansfomateu filte séie avec filte LCL Chage polluante Filte passif Filte actif Fig. I.6 : Stuctue mixte d Akagi [Aka05b] 4

25 Chapite I Petubations des éseaux et pincipes de compensation Pou des applications de compensation en amont du pont de diodes, Akagi popose un filte hybide bon maché" (figue I.6) avec un filte passif LC à la place de l inductance du filte actif paallèle. Ce filte passif, accodé su le septième hamonique pemet de éduie de 8 la tension du bus continu. Aucun filte lié au découpage n est utile ca l impédance du filte passif est tès gande à la féquence de découpage, 0kHz dans ce cas. La puissance de compensation du filte actif est diectement popotionnelle à la tension du bus continu (Pcomp = (3)/ * V bus * Icomp max ). Ce type de solution pemet donc d avoi un bon compis pou un type paticulie de chage mais este bien moins pefomant qu un filte actif pu. Le pincipal inconvénient de ce type de filte hybide est de ne pas pemette patiquement de compense de l énegie éactive mais seulement les hamoniques alos que cela semble possible en théoie [Aka05b]. Salo et Al [Sal03] poposent une stuctue pésentée su la figue (I.7) qui pemet de éduie les containtes su les IGBTs et de ce fait éduie les petes. Chage non linéaie Fig. I.7 : Stuctue mixte de Salo [Sal03] I Filte actif à base d onduleu multiniveaux L utilisation limitée des filtes actifs est due en patie aux coûts stuctuels mais aussi à la limitation des inteupteus de puissance à tavaille à haute tension. Les onduleus multiniveaux pésentent comme pincipal avantage la éduction des containtes en tension su les inteupteus de puissance [Rod0]. Les pincipales stuctues sont les topologies d onduleu en cascade, clampées pa le neute (NPC) et multicellulaies. Leu utilisation se généalise de plus en plus pou les applications à basse tension ou ils pemettent d amélioe les fomes d ondes et d optimise les couts [Leg07]. a- Avec des onduleus en cascade. Zhou et Wu [Zho07] poposent une stuctue à 5 niveaux (fig. I.8) pemettant de découpe à moins de khz. D autes tavaux sont aussi faits pa Mianda [Mi07]. 5

26 Chapite I Petubations des éseaux et pincipes de compensation b- Avec des onduleus NPC Fig. I.8 : onduleus en cascade Akagi [Aka05a] popose un onduleu NPC à 3 niveaux avec une stuctue de filtage mixte (fig. I.9). Leus ésultats montent l intéêt du NPC pou cette application, cette stuctue est utilisée pa Zhou [Zho07] Redesseu à diodes Filte passif Fig. I.9 : onduleus NPC 6 Filte actif

27 Chapite I Petubations des éseaux et pincipes de compensation Pou les applications de filtage actif, ces topologies ont donc été sujets de echeche tès tôt [Abu97] avec la topologie NPC. De nombeuses publications concenent les applications multi-niveaux avec les difféentes topologies NPC, multicellulaie, ou à convetisseus imbiqués [Liq04]. Néanmoins la topologie dominante este actuellement le NPC, plus facile à commande pou le cas à tois niveaux [Lin04]. Au delà de tois niveaux, le contôle de ces onduleus este tès délicat. c- Avec des onduleus multicellulaies Lin et Huang [Lin06b] poposent une utilisation en 3 niveaux (fig. I.0) avec une boucle de couant basée su des hystéésis. La stuctue poposée utilise des capacités flottantes de 500uF, ce qui est assez impotant pa appot à celle du bus (mf) et limite l intéêt du multicellulaie. Cependant en augmentant la valeu des capacités flottantes, on s autoise un contôle beaucoup plus facile. Chage non linéaie. Fig. I.0 : onduleus multicellulaies 7

28 Chapite I Petubations des éseaux et pincipes de compensation I Les stuctues "exotiques" Des convetisseus mixant les stuctues multiniveaux classiques appaaissent dans la littéatue poposant les pincipes pésentés su la figue (I..a). B. Lin et Y. Yang [Lin04] poposent une stuctue à 3 niveaux basée su une vesion non symétique du convetisseu NPC appliqué au cas monophasé et tiphasé [Lin06a], pemettant d avoi le même nombe d inteupteus qu un multicellulaie tout en se passant des capacités flottantes. Filte passive Distubing load Decoupling inducto Thee-phase o thee single-phase non linea loads Fig. I. : Stuctues développées pa Lin (a) et Allmeling (b) Ils poposent tois boucles de couant à base d hystéésis qui pennent en compte la égulation du bus continu, du point milieu et de l annulation du couant de neute. Leu loi de commande pemet d obteni un THD de 4.% pou une chage de type pont complet, ce qui s avèe coect mais pas décisif. Allmeling et Al. [All04] poposent une stuctue similaie à Lin qui pemet de découpe à moins de khz en gaantissant un THD éduit de % à 4% (Fig. I..b). La stuctue de la figue (I.) poposée pa Rivas et Moan [Riv03] pemet une compensation des couants hamoniques en éduisant l impédance du filte actif gâce au couplage et aux filtes accodés aux féquences les plus néfastes, de ang 5 et 7. La bande passante du filte doit ête pafaitement ajustée, le églage du facteu de qualité des filtes ainsi que le choix des valeus des éléments actifs doivent ête faits avec igueu. 8

29 Chapite I Petubations des éseaux et pincipes de compensation Contol Cicuit Chage non linéai Tansfomateu de couplage Filte actif Fig. I. : Pincipe d une stuctue mixte développée pa Rivas Une nouvelle stuctue développée pa Meynad et Foest [Mey95] epésente des filtes actifs tès pefomants gâce aux tansfomateus de couplage qui pemettent de éduie considéablement l impédance séie tout en ayant plusieus niveaux (fig. I.3). Ce couplage d inductances pemet deux choses assez antagonistes et qui coespondent exactement à la poblématique du filtage actif : Réduie la valeu de l inductance globale pou pemette de génée des couants de ang hamonique élevé. Limite l ondulation des couants injectés de ang hamonique faible gâce au couplage magnétique et au déphasage des cellules. Chage Fig. I.3 : Pincipe de la stuctue à inductance couplée 9

30 Chapite I Petubations des éseaux et pincipes de compensation I Le edesseu à MLI C est un convetisseu à modulation de lageu d'impulsions utilisant des composants à commutation focée tel que les IGBT ou les thyistos GTO. L'emploi de cette technique pemet non seulement une éduction de la petubation hamonique, en pélevant des couants d'allue sinusoïdale mais aussi un contôle des puissances actives et éactives [ALI95]. On distingue deux stuctues : la stuctue couant et la stuctue tension. I Stuctue couant La stuctue dite "couant" où la souce continue se compote comme un généateu de couant et la souce altenative comme un généateu de tension. Son schéma de pincipe est pésenté su les figues (I-4-a) et (I-4-b). Les composants de puissances disponibles (IGBT, GTO) étant unidiectionnels en couant, le couant I d le sea également. La évesibilité en puissance s'effectue pa l'invesion de la tension edessée U d. Le contôle de la puissance éactive est obtenu pa action su la phase du couant éseau pa appot à la tension [ALI95]. i d V U d Fig.I-4-a : Redesseu MLI à stuctue couant tiphasé i d V U d Fig.I-4-b : Redesseu MLI à stuctue couant monophasé 30

31 Chapite I Petubations des éseaux et pincipes de compensation I Stuctue tension La stuctue dite "tension" où la souce continue se compote comme un généateu de tension et la souce altenative comme un généateu de couant. Elle est pésentée su les figues (I-5-a) et (I-5-b). La tension étant unidiectionnelle, la évesibilité de la puissance active est assuée pa le couant i d, qui est bidiectionnel. Le contôle de la puissance éactive est éalisé pa action indiecte su la phase du fondamental du couant éseau [ALI95]. i d V Vc Chage Fig. I-5-a : Redesseu MLI à stuctue tension monophasé i d V L V c Chage Fig.I-5-b : Redesseu MLI à stuctue tension tiphasé Les inductances L (figue I.5) sevent à découple le convetisseu du éseau ca les deux éseaux altenatif et continu sont tous deux des souces de tension. 3

32 Chapite I Petubations des éseaux et pincipes de compensation I.3. Etat de l at et objectifs I.3.. Etat de l at I.3... Les pincipales généations des edesseus tiphasés non polluants Nous pésentons dans ce paagaphe les difféents tavaux se appotant à note poblématique. Ces tavaux ont été éalisés su les convetisseus AC/DC depuis les années 970. I.3... Pemièe généation Cette généation de convetisseus non polluants s'est étendue de 969 à 985. Les techniques utilisées au niveau de ces convetisseus se sont basées su 'utilisation de souces additionnelles au cicuit de base afin d'y injecte un couant de fome spécifique et amélioe pa conséquent le contenu hamonique des couants de ligne. I.3... Bid 969 [BIR69] Les tavaux de echeche de Bid [BIR69] ont conduit à une solution satisfaisante qui a eu comme but de éduie les hamoniques à la souce et non de les suppime ou de diminue leus effets à l'aide d'éléments de filtage. Son concept est basé su l'injection du couant du toisième hamonique i 3h (80Hz), pa le biais d'une souce de couant, comme le monte la figue (I.6). Généateu de couant à80hz Fig.I.6 : Double pont tiphasé poposé pa Bid Les hamoniques qui sont nomalement pésents dans le couant de ligne sont substantiellement éduits, vu que la fome de ce couant est nettement amélioée notamment à la valeu cête comme le monte la figue (I.7). 3

33 Chapite I Petubations des éseaux et pincipes de compensation Fig.I.7 : Fomes d'ondes expliquant le pincipe de la méthode poposée pa Bid I.3... Ametani 97 [AME7] Un concept semblable à celui de Bid a été epis dans les tavaux d'ametani [AME7]. Ce pincipe consiste, comme le monte la figue (I.8), à injecte, le toisième hamonique au secondaie du tansfomateu tiphasé, de sote que le couant de ligne au côté pimaie soit quasi sinusoïdal. En effet, si nous considéons l'altenance positive et l'intevalle π/6<ωt<5π/6, la phase est active (puissance tansféée côté couant continu via cette phase), nous avons alos i p =i dc +i h. Duant, l'intevalle 0<ωt<π/6 et 5π/6<ωt<π, la phase est inactive, nous avons i p =i dc +ih et i p3 =-i dc +i h, ce qui veut die que le couant i pl =-i h. La fome totale de ce couant injecté su une péiode, coespond quasiment à tous les hamoniques du couant de ligne (non compensé) déphasé de 80. De ce fait, la somme de ce couant avec le couant non-compensé donne un couant quasi-sinusoïdal i p compensé. Le schéma utilisé pou ce faie est celui de la figue (I.9). Fig.I.8 : Fomes d'ondes expliquant le pincipe de la méthode poposée pa Ametani 33

34 Chapite I Petubations des éseaux et pincipes de compensation Généateu de couant à 80Hz Fig.I.9 : Redesseu tiphasé poposé pa Ametani I Aillaga 983 [ARI83] Généateu de couant à 80Hz Dans le même ode d'idées, Aillaga [ARI83] a appliqué le concept d'injection d'un couant modulé de fome spécifiquement appopiée au secondaie du tansfomateu d'alimentation (figue I.0). Dans le cas où i dc est continu (chage fotement inductive), l'injection d'un couant i h+ (i h- ) donne un couant i cat (i ano ) comme illusté dans la figue (I.). Ceci pemet en effet d'abouti à un couant de ligne à plusieus niveaux, ce qui diminue considéablement son contenu hamonique. Fig. I.0 : Redesseu tiphasé poposé pa Aillaga 34

35 Chapite I Petubations des éseaux et pincipes de compensation Fig.I.8 : Fomes d'ondes expliquant le pincipe de la méthode poposée pa Aillaga I.3... Seconde généation La vague de convetisseus utilisant des souces qui injectent un couant de fome spécifique pou amélioe le contenu hamonique des couants de ligne a été suivie pa 'utilisation du concept de modulation du couant à haute féquence. Cette appoche a été d'autant plus efficace gâce à l'évolution connue pa les semi-conducteus de puissance et qui a pemis aux concepteus d'envisage une telle issue dès 987. I.3... Boon Teck Ooi 987 [OO87] Le convetisseu poposé pa Ooi [OO87] est donné pa la figue (I.). Il s'agit d'un pont edesseu tiphasé à six inteupteus actifs avec des diodes antipaallèles qui sont connectées au éseau tiphasé à taves les inductances L ï (i=l,,3 indice de phases). Ces inductances L i assuent d'une pat la fonction suvolteu avec le condensateu C et les inteupteus du pont et d'aute pat le filtage côté couant altenatif du couant de ligne. Ce montage pemet d'obteni des couants de ligne sinusoïdaux et un bus de tension continue égulée. 35

36 Chapite I Petubations des éseaux et pincipes de compensation I.3... Dixon 988 [DIX88] Fig.I. : Redesseu tiphasé à six inteupteus actifs La figue(i.3) illuste le pincipe intoduit pa Dixon [DIX88]. L inteupteu et la diode D constituent le modulateu de tension. La tension aux bones de S (V s ) passe ainsi de 0 à Vdc selon que S est à l'état passant ou bloqué. Fig.I.3 : Redesseu monophasé à pélèvement sinusoïdal poposé pa Dixon Losque S est conducteu, le couant dans l'inductance L ne peut qu'augmente, puisque la tension V SL est positive et Vs= o. Nous obtenons alos l'équation suivante: Losque le tansisto S est bloqué, le couant dans L diminue, à condition que V dc soit supéieue à V SL, de façon à ce que : (I.) (.3) Cette condition nécessite que la tension V dc soit supéieue à la tension cête de V SL, soit la valeu efficace de la tension altenative, multipliée pa deux [GAT94]. Si cette condition est emplie, il est possible à tout instant de faie augmente ou diminue le couant dans L. 36

37 Chapite I Petubations des éseaux et pincipes de compensation En contôlant les temps espectifs de conduction et de blocage de l'inteupteu S, il est ainsi possible de foce l'évolution tempoelle du couant dans L. Concenant le montage tiphasé de la figue (I.4), il utilise le même pincipe de fonctionnement que celui de la figue (I.3) et est constitué de tois edesseus monophasés connectés à un bus CC commun. La stuctue tiphasée pemet d'atteinde un facteu de puissance unitaie. Elle pésente néanmoins les inconvénients suivants : - Les hamoniques tiples ne peuvent pas ête éliminées complètement; - Le nombe de composants nécessaies est tois fois celui du montage monophasé; Unité A Unité A Unité A Fig.I.4 : Redesseu tiphasé composé de tois modules de edesseus Monophasés Pasad 99 [PRA9] Pasad dans ces tavaux [PRA9] a adopté le même pincipe expliqué pécédemment et l'a utilisé également pou les applications à moyenne et haute puissance en utilisant un edesseu à diodes tiphasé en pont. Cette solution aux poblèmes de pollution hamonique consiste à utilise la topologie de la figue (I.5).. Fig.I.5 : Redesseu tiphasé poposé pa Pasad 37

38 Chapite I Petubations des éseaux et pincipes de compensation Le convetisseu poposé pa Pasad se compose d'inductances élévatices L i (i=,,3), d'un edesseu tiphasé à diodes, d'un module actif de coection du facteu de puissance et d'un condensateu de filtage C. La mise en fome des couants de ligne est obtenue pa l'utilisation des composants du boost à savoi, L i, S et D. S commute à féquence constante au moment où le appot cyclique vaie selon la vaiation de la chage et de sote que les couants de ligne soient discontinus. Quand S conduit les tois phases du edesseu sont cout-cicuitées à taves L i et les six diodes, ce qui incite les couants de ligne à coîte popotionnellement à leus tensions de ligne espectives. Losque S est bloqué, le couant dans L i diminue, à condition que la tension V dc -e i à ses bones soit négative. Cette topologie pésente l'avantage d'utilise un nombe éduit de semiconducteus, mais ses inconvénients ésident dans le fait que les inteupteus sont soumis à des hautes tensions compaativement à la topologie pécédente Tou 993 [TOU93] Le convetisseu poposé pa Tou [TOU93] est pésenté dans la figue (I.6). Il se compose de : - Un edesseu tiphasé à diodes ; - Un module actif de coection du facteu de puissance basé su l'utilisation d'un convetisseu suvolteu couant continu / couant continu dont l'inteupteu S est commandé à féquence vaiable et fonctionne en mode discontinu de couant ; - Un condensateu de sotie C ; - Un filte d'entée constitué des condensateus C, C, C 3 connectés à chaque phase. La tension aux bones des condensateus d'entée ou encoe celle à l'entée du edesseu est pésentée dans la figue (I.7). Duant chaque péiode de découpage, elle se pésente sous fome d'impulsions dont la valeu maximale est popotionnelle au couant d'entée, assuant ainsi des couants de ligne quasi sinusoïdaux et appoximativement popotionnels aux tensions de phase. Les condensateus de l'étage d'entée, sont de faibles valeus afin d'assue le fonctionnement en mode discontinu du couant au niveau des inductances d'entée. Fig.I.7 : Redesseu tiphasé poposé pa Tou 38

39 Chapite I Petubations des éseaux et pincipes de compensation Fig.I.7 : Tension aux bones de C [TOU93] Le fonctionnement du module actif consiste à tansfée l'énegie des condensateus C, C et C 3 à l'inductance élévatice L dc Ceci se poduit los de la femetue de l'inteupteu S. Les condensateus se déchagent pa conséquent en entant en ésonance avec L dc Dès le passage pa zéo des tensions aux bones des condensateus, toutes les diodes du pont se mettent à conduie. Los de l'ouvetue de S, toute l'énegie emmagasinée au niveau de l'inductance est tansféée à la chage à taves la diode D. Ensuite losque D ne conduit plus, les condensateus C, C et C 3 se chagent linéaiement pa les couants de lignes i, i et i 3 jusqu'à ce que l'inteupteu S conduit à nouveau. Les couants de lignes i, i et i 3 sont filtés espectivement à taves les inductances de lignes L, L et L Mohan 993 [MOH93] Mohan [MOH93] a poposé une appoche semblable à celle de Pasad [PRA9] basée su le cicuit de la figue (I.8). Cette stuctue pemet d'avoi des couants côté continu modulé (i dc + i n et i dc - i n ), gâce aux deux hacheus suvolteus (boost). Le couant de modulation i n est ensuite injecté au côté CA du edesseu à taves un éseau L ni -C ni (i=l,, 3) su chacune des tois phases de façon égale. Cette appoche adoptée pa Mohan use du même concept d'injection de couant poposé pa Bid [BIR69], Ametani [AME7] et Aillaga [ARI83]. Elle possède les avantages suivants : - Elle n'utilise pas de souce de couant extene; - Elle ne nécessite pas l'utilisation de tansfomateu supplémentaie; - Elle impose un couant de ligne non-discontinu ce qui éduit considéablement la taille du filte d'entée. Ce cicuit pésente néanmoins des inconvénients qui se manifestent pa : - L'utilisation d'un gand nombe d'éléments passifs (inductances et condensateus); - La sensibilité face aux vaiations des paamètes du éseau. 39

40 Chapite I Petubations des éseaux et pincipes de compensation Kim 994 [KIM94] Fig.I.8 : Redesseu poposé pa Mohan Comme continuité aux tavaux de Mohan, la topologie poposée pa Kim [KIM94] consiste à injecte le toisième hamonique du côté altenatif uniquement en utilisant des composants passifs basés su l'inteconnexion d'un tansfomateu /Y ente les côtés couant altenatif et couant continu du edesseu à diode, comme le monte la figue (I.9). Les avantages de cette stuctue peuvent ête énuméés comme suit : - Le couant du toisième hamonique est automatiquement généé pa le tansfomateu poposé; - Le tansfomateu ne tie pas de couant à 60Hz vu que son secondaie ( ) est à vide. Son inconvénient pincipal est la nécessité d'utilise un tansfomateu additionnel. Fig.I.9 : Redesseu poposé pa Kim 40

41 Chapite I Petubations des éseaux et pincipes de compensation Jiang 994 [JIA94] Pou les applications hautes féquences, la commutation douce est la solution pincipale adoptée pou minimise les petes pa commutation. Pami ces méthodes, nous citons : - Le "Zéo Voltage Switching" (ZVS) ou encoe la commutation à zéo tension; - Le "Zéo Cuent Switching" (ZCS) ou encoe la commutation à zéo couant. Dans ces tavaux, Jiang s'est inspié des tavaux de Ooi [OOI87]. Il amélioe le fonctionnement du cicuit poposé pa Ooi en intégant des cicuits auxiliaies ésonants assuant le ZVS ou le ZCS. Les deux montages qu'il popose sont les suivants: Redesseu à IGBT commutant à zéo tension (à l'amoçage) La figue (I.30) epésente le edesseu suvolteu tiphasé fonctionnant en ZVS poposé pa Jiang [JIA94], où le cicuit auxiliaie ésonant est constitué d'une inductance L, d un inteupteu S et d'une diode D. Ce cicuit auxiliaie agit uniquement à l'amoçage des inteupteus. Avant d'amoce les inteupteus du pont edesseu, S s'amoce pemettant ainsi au couant de cicule à taves L et entaînant pa conséquent la diminution du couant dans la diode D. Losque le couant dans L atteint la valeu du couant de ligne, D se bloque et L ente en ésonance avec les capacités des inteupteus, entaînant ' annulation de la tension à la sotie du pont ce qui pemet aux inteupteus d'ente en conduction à zéo tension. Fig.I.30 : Redesseu poposé pa Jiang utilisant le ZVS Redesseu à IGBT commutant à zéo couant (au blocage) Nous pésentons dans la figue (I.3) le même edesseu suvolteu tiphasé fonctionnant, cette fois ci, en ZCS dont le pincipe consiste à inteveni au blocage des inteupteus du pont. L'inteupteu auxiliaie S s'amoce entaînant L et C à ente en ésonance avant que les inteupteus pincipaux ne se bloquent. De cette façon, il est possible d'extipe le couant des inteupteus pincipaux via la diode D, ce qui leu pemet de se bloque à zéo couant. 4

42 Chapite I Petubations des éseaux et pincipes de compensation Fig.I.3 : Redesseu poposé pa Jiang utilisant le ZCS Gataic 994 [GAT94] Les deux topologies de cicuits epésentés dans les figues (I.3) et (I.33) sont des vaiantes du cicuit poposé pa Pasad [PRA9] qui epésente un edesseu suvolteu tiphasé à inteupteu unique et qui a fait ses peuves du point de vue diminution des distosions hamoniques. Les tavaux de Gataic [GAT94] ont amélioé ce cicuit [PRA9] en intégant des cicuits auxiliaies ésonants. Le but est d'obteni des petes moindes pa commutation los d'un fonctionnement à haute féquence, tout en gadant un faible taux de distosion hamonique et un facteu de puissance unitaie. Les figues (I.3) et (I.33) epésentent les deux topologies de convetisseus utilisant espectivement le pincipe du ZCS et celui du ZVS. Fig.I.3 : Redesseu poposé pa Gataic utilisant un cicuit ésonant à ZCS 4

43 Chapite I Petubations des éseaux et pincipes de compensation Cicuit auxiliaie ésonant Fig.I.33 : Redesseu poposé pa Gataic utilisant un cicuit ésonant à ZVS Rastogi 995 [RAS95] Rastogi s'est inspié également de la topologie de Mohan [MOH93] basée su l'injection du toisième hamonique pou la mise en fome des couants de ligne pa le biais de deux hacheus suvolteus commutant à haute féquence. La nouveauté appotée pa Rastogi consiste à intoduie deux cicuits ésonnants au niveau des deux hacheus afin de éalise la commutation à zéo couant (ZCS), comme le monte la figue (I.34). 43

44 Chapite I Petubations des éseaux et pincipes de compensation Tansfomateu ZigZag Fig.I.34 : Redesseu tiphasé à ésonance poposé pa Rastogi Salmon 995 [SAL95] Comme le monte la figue (I.35), Salmon s'est également inspié de la topologie de Mohan [MOH93], dont la paticulaité est que les inductances de filtage se situent à la sotie du pont edesseu. De cette manièe, los de l'altenance positive c'est l'inductance L dc+ qui voit le couant (i dc+ ), tandis que los de l'altenance négative c'est l'inductance L dc- qui voit le couant à son tou (i dc- ) et les containtes su les inteupteus sont alos moindes [SAL95]. L'avantage appoté pa Salmon est l'ajout des inteupteus bidiectionnels S a, S b et S c dont le ôle consiste à compense la discontinuité des couants de ligne. L'inteupteu Sa conduit pendant 60 : 30 avant et 30 apès le passage pa 0 de la tension e, au moment où les inteupteus du boost gaantissent un couant sinusoïdal au niveau de la phase dont la tension est la plus positive ou la plus négative espectivement selon que ça soit s + ou s_ qui conduit. 44

45 Chapite I Petubations des éseaux et pincipes de compensation Fig.I.35 : Redesseu tiphasé poposé pa Salmon.3... Daniel 997 [DAN97] Le montage poposé pa Daniel [DAN97] est inspié de celui poposé pa Salmon. Il est constitué d'un pont de diodes et d'inteupteus bidiectionnels S a, S b et S c (Figue I.36) dont le ôle consiste à évite la discontinuité des couants d'entée. L'appot de Daniel est que chaque inteupteu (S a, b, c ) est commandé pa un tain d'impulsions duant 30 avant et 30 apès le passage pa 0 de la tension de la phase à laquelle il est connecté. La lageu des impulsions dépend linéaiement de la chage, ainsi il est possible d'avoi un bon THD quel que soit le niveau de chage. L'aute avantage de cette topologie est qu'elle ne contient que tois inteupteus actifs. Cependant, vu que les inteupteus S a, b, c ne conduisent pas duant tout le cycle, la égulation du bus couant continu en est affectée. Fig.I.36 : Redesseu tiphasé poposé pa Daniel 45

46 Chapite I Petubations des éseaux et pincipes de compensation Toisième généation Il est vai que la stuctue multi-niveaux a vu le jou depuis 98 gâce à Nabae [NAB8], néanmoins elle a été poposée pou les montages onduleus. Ce n'est que duant la denièe décennie que cette stuctue fut étendue aux montages edesseus. En effet, les edesseus multi-niveaux souce de tension sont sans aucun doute la généation la plus écente des edesseus modenes mis en œuve. Les buts echechés pa ces topologies sont de [SHE96],[SHA99] : - Poduie une tension d'entée avec plusieus palies pou impose un couant le plus poche possible d'une sinusoïde et pa conséquent avoi une nette diminution des hamoniques absobées pa la chage ; - Atteinde de hauts niveaux de tension; - Diminue les containtes en tension su les inteupteus. Néanmoins le nombe de niveaux pouvant ête éalisé est limité à cause des: - Poblèmes liés au déséquilibe des tensions aux bones des condensateus ; - Containtes de packaging ca c'est des stuctues volumineuses. Afin de emédie au pemie poblème, plusieus appoches, consistant à cale la tension des condensateus ou à stabilise la chage et déchage de ces denies, ont été mises en œuve. Nous ne pésentons dans la suite que les topologies les plus épandues Redesseu utilisant le calage des potentiels pa des diodes Un convetisseu à points calé pa des diodes à m niveaux consiste en m-l condensateus et poduit m niveaux de tension [SHE96] [CHO98]. La figue (I.37) pésente le cas d'un convetisseu cinq niveaux à points neutes calés pa des diodes. Les avantages pincipaux de ce type de topologies sont : - Les containtes en tension su chaque inteupteu et su chaque condensateu sont Limitées à - Plus m est élevé plus le contenu hamonique des couants de ligne est bas et moins il est nécessaie de ajoute un filte; L'inconvénient de cette topologie est: - Plus m est élevé plus le nombe d'inteupteus est impotant; Fig.I.37 : Convetisseu à cinq-niveaux à points neutes calés pa des diodes 46

47 Chapite I Petubations des éseaux et pincipes de compensation Redesseu à cellules imbiquées utilisant des condensateus flottants Comme pou le convetisseu pécédent, le edesseu à cellules imbiquées utilisant des condensateus flottants à m niveaux consiste en m-l condensateus au niveau du bus couant continu et poduit m niveaux de tension [SAL95] [MEY9]. Comme le monte la figue (I.38), ce convetisseu utilise des condensateus flottants au lieu de diodes pou cale les tensions aux bones de chaque inteupteu et pa conséquent aux bones des condensateus de sotie et également pou les équilibe. Fig.I.38 : Convetisseu à cinq niveaux à cellules imbiquées Les avantages de cette topologie sont: - Les containtes en tension su chaque inteupteu sont limitées à. ; m- - Plus m est élevé plus le contenu hamonique des couants de ligne est bas ; - Moins d'inteupteus compaés à la stuctue utilisant des diodes de calage. L'inconvénient de cette topologie est : - Plus m est élevé plus le nombe de condensateus augmente et plus le cicuit devient volumineux. V de 47

48 Chapite I Petubations des éseaux et pincipes de compensation Convetisseu tois niveaux à six inteupteus actifs Ce convetisseu est pésenté dans la figue (I.39). Son pincipe de fonctionnement est identique au convetisseu à point neute calé pa des diodes mis à pat qu'il utilise un nombe éduit d'inteupteus actifs puisqu'il consiste à emplace les diodes pa des inteupteus actifs et vice vesa [ZHA95]. Son pincipal inconvénient est la non-évesibilité du couant. Fig.I.39 : Convetisseu à tois-niveaux à six inteupteus actifs Convetisseu "VIENNA" Ce convetisseu [KOL94] et [IDE00] appelé convetisseu "Vienna" est celui de la figue (I.40). Il s'appaente également au convetisseu à point neute calé pa des diodes. Il consiste néanmoins à emplace les inteupteus intenes pa un semi-conducteu bidiectionnel et les inteupteus extenes pa des diodes. Tout comme le convetisseu pécédent, ce denie ne pemet aucune bidiectionnalité du couant. Fig.I.40 : Convetisseu "Vienna" 48

49 Chapite I Petubations des éseaux et pincipes de compensation I.3.. Objectifs Ces denièes années, les echeches dans le domaine de l'élimination des petubations du éseau, potent su des stuctues de convetisseus pouvant péleve des couants d'allue sinusoïdale su une souce altenative. Les stuctues utilisées s'inspient de celles employées pou la convesion continue altenative. Elles utilisent des composants à commutation commandée tel que les tansistos pou les petites et moyennes puissances ou les thyistos GTO pou les fotes puissances. La stuctue du edesseu, commandée en modulation de lageu d impulsion (MLI), exige à ce que la technologie des inteupteus à semi-conducteus l autoise. Cette stuctue pemet donc tous les types de tansfet d énegie possibles. Les modes de fonctionnement hacheu et onduleu sont les plus connus et en généal bien taité dans la littéatue du génie électique, en evanche, le fonctionnement edesseu, absobant un couant sinusoïdal, este peu taité. Le pincipe de fonctionnement d'un edesseu à commande MLI est le même qu un hacheu élévateu. Donc la tension de sotie d'un edesseu à MLI est toujous supéieue à sa tension d'entée. Pou cela, il faut égle cette tension de sotie en fonction de la chage utilisée. Pou accompli cette tache, la tension de sotie du edesseu est mesuée et compaée à une éféence. La sotie du égulateu poduit les odes de commande pou les tansistos du edesseu. Le nombe d applications du edesseu à modulation de lageu d impulsion, dans le domaine des petites puissances, este encoe limité à ce jou. Pou les fotes puissances, on notea que ce convetisseu est utilisé en taction feoviaie, sous 50 Hz, où la minimisation des petubations généées pa la caténaie su l envionnement (signalisations, communications ) est paticulièement echechée [ROD05], [NIC03]. L objectif pemie de ce convetisseu commandé en modulation de lageu d impulsions est de : délive un couant poche d'une sinusoïde en éduisant le contenu hamonique (THD<5%) ; diminue la taille des dispositifs de filtage ; contôle la puissance éactive absobée (facteu de puissance vaiable et unitaie) ; assue un tansfet bidiectionnel de la puissance sans l intoduction d'un pont auxiliaie. Intoduie la commande numéique pou le contôle des convetisseus à MLI. Les types de commandes utilisés sont la modulation de lageu d'impulsions et l hystéésis. Ces techniques sont lagement épondues dans le domaine de la convesion statique de l'énegie électique. L'utilisation d'inteupteus entièement commandable pemet en oute le contôle du déphasage de l'onde de couant pa appot à la tension d'alimentation du éseau. Il appaaît donc possible de faie vaie le facteu de puissance du convetisseu, l'intéêt est donc double. Note appot, dans le cade de cette echeche, se définit à plusieus niveaux. En pemie lieu, su le plan théoique, nous allons monte qu il est possible de éponde aux exigences des chages vis-à-vis des besoins en puissance en temes de qualité d énegie en utilisant ce convetisseu commandé en MLI. En deuxième lieu, cela consiste à ajoute une commande numéique su le plan expéimental pou le contol de ce convetisseu à MLI. 49

50 Chapite I Petubations des éseaux et pincipes de compensation I.4. Conclusion Nous avons mis en évidence l'influence des hamoniques dans les éseaux de distibution d'énegie. Nous nous sommes intéessés aux convetisseus statiques et plus paticulièement, aux edesseus, qui foment la base de nombeuses convesions. Ces denies sont en patie à l'oigine de la pollution hamonique et de la détéioation du facteu de puissance des éseaux. Apès avoi monté les incidences que ces petubations ont su les éseaux de distibution, nous avons pésenté les difféents moyens utilisés pou les éduie. Les solutions existantes, notamment les techniques de filtage et compensation à base d'éléments passifs pésentent de nombeuses containtes. Pou éponde au besoin d'appote une solution plus pefomante et plus souple, de nouvelles stuctues ont été étudiées et dans cetains cas éalisées, comme les edesseu à MLI et les filtes actifs. La suite de cette thèse sea consacée à l étude théoique et à la éalisation expéimentale du edesseu à MLI. L implémentation de la commande du edesseu monophasé est éalisée à la base de la cate DSP TMS30LF407, tandis que celle du edesseu tiphasé est basée su la solution Dspace

51 Chapite II Etude analytique et caactéisation du edesseu à M.L.I 5

52 Plan du chapite II II-. Intoduction II-. Desciption du edesseu 53 I--. Redesseu monophasé I--. Redesseu tiphasé II-3. Caactéistiques statiques du edesseu monophasé II-4. Analyse de fonctionnement du edesseu monophasé I-4-. Fonctionnement à tension de sotie constante I-4-. Fonctionnement avec chage ésistive II-5. Etude de la commutation I-5-. Commutation à la femetue I-5-. Commutation à l ouvetue II-6. Choix des éléments du Snubbe II-7. Pincipes de la modulation de lageu d impulsions II-8. Modulation sinusoïdale II-8-. Caactéistiques de la modulation II-8-. Etude de la tension d entée II-8--. Fondamental et déchet de tension.. 80 II-8--. Taux d hamoniques et hamoniques estants... 8 II-8-3. Etude du couant de sotie II-9. Modulation calculée II-9-. Elimination des pemies hamoniques de la tension d entée II-0. Analyse des pefomances de la technique delta II-. Conclusion

53 Chapite II Etude analytique et caactéisation du edesseu à MLI II.. Intoduction Il est constaté que les convetisseus altenatif-continu à thyistos sont les plus utilisés. Ces convetisseus pésentent un facteu de puissance qui diminue losque l angle d amoçage des thyistos augmente et injectent des couants hamoniques dans le éseau d alimentation. Le développement technologique des semi-conducteus et l appaition des nouvelles techniques de commande, en paticulie la technique de modulation de lageu d impulsions ont encouagé plusieus checheus à oiente leus tavaux ves ce domaine, dans le but de concevoi des convetisseus plus pefomants [DEN 0]. L étude pésentée dans ce chapite commence pa l analyse des caactéistiques du edesseu à MLI.Nous examineons pa la suite la stabilité du convetisseu et ses limites de fonctionnement et nous étudieons en détails ses phases de commutation. Dans ce chapite, nous allons également faie une analyse hamonique des statégies de modulation de lageu d impulsions. Nous examinons l influence des paamètes de la modulation su la fomation du specte hamonique dans le cas d une modulation sinusoïdale. Actuellement, l appaition de chages non linéaies complexes caactéisées pa des exigences technologiques tès paticulièes a pemis l élaboation de plusieus techniques pou la commande des convetisseus statiques, en paticulie la commande à modulation de lageu d impulsions (MLI). La MLI pemet suivant un pocessus analogique ou numéique d avoi une fome d onde fomée de plusieus céneaux, l objectif étant est d avoi le moins d hamoniques, de minimise le nombe de commutation et de pouvoi contôle facilement la tension [GRE8]. Nous pésentons à la fin de ce chapite le pincipe et les pefomances de la modulation calculée et du technique delta. II.. Desciption du edesseu II... Redesseu monophasé Dans la suite de ce tavail, nous nous intéesseons plus paticulièement à la stuctue tension. L ensemble souce edesseu - chage est epésenté pa la figue (II..a). La figue (II--a) monte le schéma de pincipe et indique les notations adoptées. Le edesseu est fomé de quate inteupteus K i (i=,4) commandés bidiectionnels en couant. Chacun contient un tansisto IGBT T i et une diode D i montée en antipaallèle avec le tansisto de manièe à assue la continuité des couants de souce. Le edesseu est connecté diectement à la sotie du tansfomateu d entée. 53

54 Chapite II Etude analytique et caactéisation du edesseu à MLI is i d i c T D T 4 D 4 v R L i v c u e C CHARGE T 3 D 3 T D Fig.II..a : Schéma de pincipe du edesseu monophasé de stuctue tension Le éseau est modélisé pa une souce de tension monophasée sinusoïdale v en séie avec une ésistance R et une inductance L epésentant l inductance du éseau en séie avec l inductance de fuites du tansfomateu amenées au secondaie. Du côté continu ; on touve une capacité C de filtage de tension v c en paallèle avec la chage caactéisant ainsi une souce de tension. La pésence de l inductance L indique que le edesseu est alimenté pa une souce de couant. II... Redesseu tiphasé Le edesseu epésenté pa la figue (II..b) est de type pont de Gaëtz et est constitué de tansistos IGBT compenant chacun une diode en antipaallèle d une manièe à assue la continuité des couants de souce. Les tansistos IGBTs et les diodes constituant le pont sont supposés idéaux, c'est-à-die, que l on néglige les petes pa commutation ainsi que les petes pa conduction. Le edesseu est connecté diectement à la sotie du tansfomateu d entée. 54

55 Chapite II Etude analytique et caactéisation du edesseu à MLI i s i d i c T D T 3 D 3 T 5 D 5 v v v 3 R R R L L L i i i 3 u e u e u e3 v c C CHARGE T 4 D 4 T 6 D 6 T D Fig.II..b : Schéma de pincipe du edesseu tiphasé de stuctue tension La souce est composée d une Fem tiphasée puement sinusoïdale en séie avec une ésistance R et une inductance L su chaque phase. Le éseau est supposé pafaitement équilibé. Les impédances des tois phases sont identiques. Les tois tensions de éseaux sont données pa la elation : v v v 3 = V = V = V max max max sin ( ωt) sin ωt sin ωt π 3 4π 3 (II.) On note pa u ei les tensions simples (pa appot au neute de la souce) aux bones de chaque phase. La chage continue est constituée d une ésistance R d, en séie avec une inductance L d. II.3. Caactéistiques statiques du edesseu monophasé La elation ente la valeu moyenne de la tension de sotie V co et la valeu efficace du fondamental de la tension d entée U e, peut ête expimée en fonction du coefficient de églage qui vaie de 0 à et du facteu K dt qui définie le déchet de tension poduit pa la modulation de lageu d impulsions. Ce facteu dépend de la statégie de modulation utilisée et de la féquence des commutations effectuées. Dans le cas de la statégie tiangulo-sinusoïdale avec un indice de modulation m supéieu à 6 le facteu K dt est égal à l unité. Pa conte, losque l hamonique de ang 3 de la tension d entée u e est impotant, ce facteu est supéieu à (K dt =.55) [SEG95] [PIE95]. 55

56 Chapite II Etude analytique et caactéisation du edesseu à MLI En conséquence, la elation ente U e et V co peut ête donnée pa : Kdt Vco Ue = (II-) Etant donné que est inféieu ou égal à, donc : U e Vco (II-3) Kdt Cette expession monte que V co est supéieu à U e. Cela nous pemet de conclue que : Contaiement aux convetisseus classiques qui fonctionnent en abaisseu de tension, ce convetisseu fonctionne en edesseu élévateu de tension. L expession de la valeu moyenne du couant de sotie I s en fonction de la valeu efficace du couant d entée I se déduit de la consevation de la puissance active ente l entée et la sotie du convetisseu. En supposant que le convetisseu est pafait (convetisseu sans petes), On peut écie : ( δ) Is Vco U ei cos ϕ = (II-4) A pati de cette équation et tenant compte de l inégalité (II-3), la valeu moyenne I s peut ête expimée pa : I Is (II-5) Cette expession monte que le couant de sotie a une valeu moyenne inféieue à la valeu efficace du couant d entée. Ce convetisseu est un abaisseu de couant. II.4. Analyse de fonctionnement du edesseu monophasé Dans cette analyse, nous supposons que : Toutes les vaiables altenatives sont sinusoïdales. Toutes les vaiables continues sont assimilées à leus valeus moyennes. L indice de modulation a une valeu suffisante pou que l hamonique de ang 3 de u e soit négligeable. Cela nous pemet de pose K dt = [PIE95]. Soit vˆ, û e, î les epésentations complexes des v, u e et i espectivement. En négligeant R î devant L ω î, l équation électique à l entée du convetisseu peut ête écite sous fome : vˆ = û e + jlωî (II-6) 56

57 Chapite II Etude analytique et caactéisation du edesseu à MLI Cette équation taduit le diagamme vectoiel epésenté à la figue (II..a). î ϕ δ û e vˆ jl ω î δ vˆ û e jl ω î a) b) Fig. II. : diagamme vectoiel D odinaie, on cheche à faie en sote que le couant d entée i soit en phase avec la tension de éseau v, le diagamme vectoiel devient alos celui de la figue (II.-b). Dans ce cas, nous avons : U e ( L ωi ) = V + (II-7) L angle δ qui désigne le déphasage du fondamental de la tension d entée u e pa appot à la tension de éseau v est donné pa la elation : L ω I tgδ = (II-8) V Pou une commande en modulation de lageu d impulsions, δ epésente le déphasage de la éféence sevant à détemine les instants de commutation des inteupteus, pa appot à la tension d alimentation. Le sens de déphasage dépend du sens d écoulement de la puissance : Il s agit d un déphasage aièe si la souce founit de la puissance à la chage à taves le convetisseu. Il s agit d un déphasage avant losque la chage envoie de la puissance à la souce (fonctionnement onduleu). Le couant î peut ête expimé en fonction de ses composantes éelle et imaginaie pa : î = Iéel + jiimag (II-9) En se basant su le diagamme vectoiel donné pa la figue (II..a), on peut déduie l expession de I éel et I imag pa : 57

58 Chapite II Etude analytique et caactéisation du edesseu à MLI I eel I imag = = Ue sin δ L ω V Ue cos δ L ω (II-0) pa : La puissance active P e et éactive Qe à l entée du convetisseu peuvent ête données P e = Q e = V Iéel VIimag (II-) En substituant les expessions de Iéel expessions de Pe et Q e deviennent alos : et I imag données pa (II-0) dans l équation (II-). Les V Ue sin δ P e = L ω V V Ue sin δ Q e = Lω L ω (II-) Pa la combinaison de ces deux expessions, on obtient l équation : Avec UeV Pe + ( Qe Qeo ) = (II-3) Lω V Q eo = Lω II.4.. Fonctionnement à tension de sotie constante En emplaçant U e pa son expession donnée pa (II.) et en posant ( ) l équation (II-3) devient : ( Qe Qeo ) ( Pe ) max P e + = (II-4) V Vco P e max =, L ω Dans le plan (P, Q), cette expession taduit l équation d un cecle de cente (0, Q eo ) et de ayon égal à ( ( P e ) max ). Losqu on fait vaie de 0 à et δ de 0 à π, tous les points décits pa ce cecle pésentent un fonctionnement stable du convetisseu dans les quate quadants (figue (II-3)). 58

59 Chapite II Etude analytique et caactéisation du edesseu à MLI Q ( Q e ) a a Q e0 δ a ( P e ) a ( P e ) max P Fig. II.3 : Fonctionnement à V co constante Pou un fonctionnement à facteu de puissance unitaie, la puissance éactive Qe est nulle. A pati de l équation (II-4), on peut détemine la lageu de l intevalle de la puissance éactive pou lequel ce type de fonctionnement est possible. Cette lageu est égale à : ( P ) e max eo Q (II.5) ( Pe ) max A pati de cette expession, nous emaquons que : Ce type de fonctionnement est possible si Qeo est inféieue à ( P e ) max. Plus eo P e, plus la lageu de l intevalle est gande. Q est inféieu à ( ) max La puissance éactive expimée pa l équation (II-) peut ête éécite sous la fome : Qe = Qe0 ( Pe ) max cos δ (II-6) pa : Cette expession nous pemet de détemine la elation ente l angle δ et le appot cyclique Qeo cos δ = = Cte (II-7) ( Pe ) max La elation (II-7) peut ête considéée comme une loi de commande du convetisseu fonctionnant à facteu de puissance unitaie et contôlée pa la statégie tiangulo-sinusoïdale [DEN 0]. 59

60 Chapite II Etude analytique et caactéisation du edesseu à MLI Pou le fonctionnement en compensateu, la puissance active est nulle. A pati de l équation (II-), cette puissance peut ête expimée pa : ( P ) δ Pe = e max sin (II-8) Cette expession est égale à 0 losque sin δ est nul. D où : cos δ = Pou Q e < Q cos δ = Pou Q e > Q eo eo (II-9) Le teme Q eo est toujous positif, ce qui monte que ce convetisseu poduit plus d énegie éactive qu il en absobe. II.4.. Fonctionnement avec chage ésistive Notons pa R d la ésistance de la chage. En tenant compte du fait que le convetisseu est pafait, la puissance active à l entée du convetisseu est totalement tansféée à sa sotie et vaut : Vco P e = (II-0) R d En substituant cette denièe équation dans (II-), les expessions de Pe et Qe deviennent : P e Q e V = R d sin δ L ω V = Q eo R d sin δ cos L ω δ (II-) V P ' max R L =, l équation (II-) peut ête mise sous la fome : ω Pe ' max Pe = cos δ En posant : ( e ) d ( ) ( ) ( P ') (II-) e max Qe = Qeo sin δ Pa la combinaison de ces deux expessions, on obtient la nouvelle équation du cecle qui définit ce type de fonctionnement. Cette équation est donnée pa : ( P ') ( P ') e e ( ) max max Qe Qeo + Pe = (II-3) Ce cecle à ( ( Pe ') max /, Qeo) comme cente vaiable et ( ( Pe ') max / ) comme ayon. Il est situé uniquement dans les deux quadants du plan (P, Q), comme le monte la figue (II.4). 60

61 Chapite II Etude analytique et caactéisation du edesseu à MLI Q ( Q e ) a a Q e0 δ a ( P e ) a ( P e' ) max P Fig. II.4 : Fonctionnement avec chage ésistive A pati du diagamme de la figue (II.4), nous emaqueons que : Tous les points délimités pa ce cecle de ayon maximal égal à ( ( P ') / e max ) sont en fonction de δ. Pou un appot cyclique fixe, le cecle à un ayon égal à l abscisse de son cente. Pou ce type de chage, le fonctionnement en mode compensateu seul est impossible. Cependant, le convetisseu fonctionne en edesseu et en compensateu simultanément. Le fonctionnement à facteu de puissance unitaie pou ce type de chage est possible si Q eo est inféieue à ( ( Pe ') max / ). En substituant l expession de Q eo et de ( Pe' ) max on peut détemine à pati de cette condition la ésistance qu il faut mette pou assue un tel fonctionnement. Cette ésistance doit véifie : R d 6 L ω (II-4) La lageu de l intevalle de la puissance active pou ce type de fonctionnement est obtenue à pati de l équation (II-3), en posant Q e = 0. Ainsi, cette lageu vaut : Qeo ( Pe ') max 4 (II-5) ( Pe ') max A pati de l expession de la puissance éactive (équation (II-)), on détemine la elation ente le appot cyclique et l angle δ pa : Qeo sin δ = = Cte (II-6) ( Pe ') max Cette elation peut ête pise comme une loi de commande pou ce type de fonctionnement. 6

62 Chapite II Etude analytique et caactéisation du edesseu à MLI II.5. Etude de la commutation Losqu on utilise la commande MLI, chaque inteupteu commandé est femé puis ouvet plusieus fois au cous d une même altenance du couant d entée i. Dans la figue (II.5), Le tansisto T 3 écoule le couant i quand celui-ci est positif, et la diode D écoule le este de l altenance positive de i. + T D D C R C v c C C D L L L R L I on i c i c3 U L L D L R L D 3 D C R C T 3 v c3 C C Fig. II.5 : Un bas du convetisseu - Patiquement toutes les commutations se font à couant i non nul, et chaque tansisto doit ête potégé à la fois conte les di/dt et les dv/dt excessifs. Chaque demi-pont se pésente alos comme l indique la figue (II-5). Les tansistos sont potégés conte les dv/dt pa des cicuits R C, C C, D C et conte les di/dt pa des cicuits R L, L L, D L. II.5.. Commutation à la femetue On étudie la commutation D T 3 povoquée pa la commande de la femetue de T 3 alos que le couant i est positif. On admetta que la commutation est assez bève pou que le couant i ne vaie pas duant son déoulement, on négligea la chute de tension aux bones des tansistos et des diodes quand ils conduisent. La commutation s effectue en quate étapes. On suit l évolution des gandeus qui ne peuvent subi de discontinuité à savoi ; Les tensions v c et v c3 aux bones des condensateus de même capacité C C. Les couants i c et i c3 dans les inductances de même valeu L L. Les expessions de ces quate gandeus pemettent d obteni à chaque instant, le couant et la tension à n impote quelle banche du cicuit. A l état initial, losque la diode D conduit seule, on a : v c3 =U, v c =0, i c3 =0, i c = -I on 6

63 Chapite II Etude analytique et caactéisation du edesseu à MLI Phase (0<t<t ) conduction simultanée de T 3 et D On néglige le temps de descente de la tension v T3. Le condensateu C C se déchage dans R C à taves T 3, alos que le couant i c3 commence à coîte. A pati du schéma de la figue (II-6-b), on peut écie : t v = R C C c3 U e C (II-7) Cette elation estea valable duant les quate intevalles de commutation. L L I on i c U R C i c3 v c3 C C L L Le second schéma, figue (II.6.a) donne : U i c3 = i c +I on a) b) Fig. II.6 : Schéma équivalent de la phase dic dic3 = L L + L L, Avec : dt dt Donc : dic3 dic dic3 = ; d où U = LL, ce qui donne : dt dt dt ic = U L L t Ion (II-8) ic 3 = U LL t 63

64 Chapite II Etude analytique et caactéisation du edesseu à MLI Les couants dans les semi-conducteus sont donnés pa : i D = -i c et i T3 = i c3 -C C dv c3 /dt et ont pou expessions : i i D T3 = = I on t U L L U L + L t R C e t R C C C La pemièe phase se temine à l instant t = t quand : U L L ic = Ion t = 0 t = Ion L L U A la fin de cet intevalle, on a donc : t R ccc v c3 ( t) = U e vc ( t) = 0 ic ( t) = 0 i c3 ( t) = Ion Phase (t <t<t ) conduction simultanée de T 3 et D c v c C C i c L L U I on i c3 L L Fig. II.7 : Schéma équivalent de la phase 64

65 Chapite II Etude analytique et caactéisation du edesseu à MLI Du schéma équivalent de la figue (II-7),on déduit : dic dic3 U = L L + L L + dt dt Vc Puisque i c3 =i c +I on donc : di c /dt =di c3 /dt. La elation pécédente s écit : vc dic = U LL (II-9) dt Le couant i c étant égal à C C dv c /dt, celui ci est solution de l équation difféentielle : d ic LL CC + ic = 0 dt d où son expession : ic U = sin ( ω ( t t) ) (II-30) L Lω Avec : Et celle de v c : ω = L L C c v c = U [-cos ( ω (t-t ))] (II-3) On déduit i c3 et i T3 de i c pa : ic3 it3 = ic + Ion = Ion + U sin LLω ( ω ( t t ) t dv3 U R c C c = ic3 Cc = ic3 + e dt R c (II-3) A pati de l équation (II-9), losque L L di c /dt devient négatif la tension v c devient supéieue à U, les diodes D L entent en conduction. Cela se poduit pou t = t tel que : π U [ cos ( ω( t t )] = U t = t + ω Compte tenu de la valeu de t à la fin de la phase, on a : v c (t )=U i c (t ) =U ( C / ) c L L i c3 = (t )=I on +i c (t ). 65

66 Chapite II Etude analytique et caactéisation du edesseu à MLI L addition du couant de déchage de C C et de i c à I on entaîne une suintensité dans le tansisto ; le couant i T3 est maximal à la fin de la phase et vaut alos : t t U R ccc Cc U R ccc ( it3) max = ic3 ( t) + e = Ion + U + e (II-33) R c L L Rc Phase 3 (t < t< t 3 ) conduction simultanée de T 3, D C et des diodes D L v c C C i c L L R L U I on i c3 L L R L Fig. II.8 : Schéma équivalent de la phase 3 Le schéma équivalent pou le calcul de i c, i c3, et v c est alos celui de la figue (II-8). On peut écie : i c3 L R L L L + R d L L di dt ( i i ) c3 c3 dt = I c on + i + c L + R L L di dt c ( ic ic3 ) = Ion La difféence (i c3 -i c ) est donc de la fome : 66

67 Chapite II Etude analytique et caactéisation du edesseu à MLI La constante d'intégation A est nulle puisque (i c3 (t )-i c (t )) est égal à I on. On a donc encoe malgé la conduction des diodes D L : i c3 i c = I on (II-34) D aute pat, puisque di c3 /dt=di c /dt. vc = U i c + L R L L LL di dt c = C dic dt C dv dt c = L L C C d ic dt (II-35) D'où l'équation difféentielle donnant i c. d ic LL dic LL CC + + ic = dt RL dt 0 On pose : ω =, LL CC α = 4R L CC Le couant i c a pou expession : ic ( t ) α Si ω > α ( t t ) ic = ( e ) sin( β( t t ) + ϕ ) sin( ) (II-36) ϕ Pa la suite, on n'étudiea que le cas, où ω est supéieu à α. Dans le cas contaie ( ω < α ) il suffit de emplace les fonctions tigonométiques pa les fonctions hypeboliques. Avec : = ω α β, tg( ϕ ) β = α ic( t ) α Si ( ( ) t t ω < α ic = e ) sh( β ( t t ) + ϕ ) ( ) (II-37) sh ϕ Avec : β β = α ω, th ( ϕ ) = α De i c on déduit i c3 pa la elation (II-34). La elation (II-35) pemet d établi l expession de dvc v c, celle du couant i c de la chage de la capacité C C se déduit de v c pa ic = CC. dt 67

68 Chapite II Etude analytique et caactéisation du edesseu à MLI On obtient ainsi : ( t ) ( e α( t t ) ) sin ( β( t t )) ( ϕ ) ic vc = U + LL ω (II-38) sin i c 3 = L L C C ω i c sin ( t ) α ( ( t t ) e ) sin ( β ( t t ) ϕ ) ( ϕ ) La phase 3 se temine losque ic change de signe povoquant le blocage de D C ; l annulation dv de c ϕ donne t 3 = t +. dt β A la fin de cet intevalle, on a : α ϕ U ic( t3 ) = e β R L i v c3 c ( t ) = I + i ( t ) 3 ( t ) = U + R i ( t ) 3 on c L 3 c Phase 4 (t > t 3 ) conduction simultanée de T 3 et les diodes D L 3 R C V c C C L L R L U i c I on i c3 L L R L Fig.II.9 : Schéma équivalent de la phase 4 68

69 Chapite II Etude analytique et caactéisation du edesseu à MLI Le schéma pemettant le calcul de i c, i c3 et v c est alos celui de la figue (II-9). Comme pou la phase 3, de l égalité : LL dic3 ic 3 + = Ion + ic + R dt L L R L L di dt c On déduit encoe : A pati de : i c3 ic = Ion U dic dvc = LL + vc + R C CC, avec : dt dt LL dic ic + = RL dt CC dvc dt On obtient apès déivation : RC d i LL dic L C c C + + RCCC + + ic RL dt R L dt L = 0 On pose : ω = L L C C + R R C L, α = L R L C C C C C + + L R R R L L C L D où l expession de i c Si ω i ( t3) α ( e ( t t3) ) sin ( β3( t 3) + ϕ 3) ( ϕ ) c > α ic = t sin 3 (II-39) Avec : 3 = ω α β, tg ( ϕ ) 3 = β 3 α RC LL si i ( t3) ( e α( t t ) 3 ) sh ( β4( t 3) + ϕ 4) ( ϕ ) c ω < α ic = t (II-40) sh 4 Avec : 4 = α ω β, th ( ϕ ) 4 = β4 α R L LL 69

70 Chapite II Etude analytique et caactéisation du edesseu à MLI Le calcul de v c pa : inféieu à ω : v c RC dic = U RC ic LL + donne dans le cas où α est RL dt L = + L R + C v C U RC ic ( α +β3cotg( β3( t t 3) + ϕ3) ) (II-4) RC RL Losque t tend ves l infini, i c tend ves zéo, i c3 tend ves I on et v c tend ves U. Le tansisto T 3 se touve seul conducteu et la commutation est teminée. II.5-. Commutation à l ouvetue On étudie le passage de la conduction T 3 à celle de D, povoquée pa la dispaition du signal de commande su la base de T 3, alos que le couant i est positif. On désigne pa I off la valeu de i supposée constante pendant la commutation qui se déoule en quate phases. A l état initial, on a : v c3 (0) = 0, v c (0) = U, i c (0) = I off, i c3 (0) = 0 Phase (0<t<t f ) conduction simultanée de T 3, D C et des diodes D L R C v c C C L L R L U i c I off i c3 L L R L i T3 v c3 C C Fig. II.0 : Schéma équivalent de la phase 70

71 Chapite II Etude analytique et caactéisation du edesseu à MLI Quand le signal de commande de T 3 dispaaît, le couant i T3 ne devient pas nul instantanément. On admetta que i T3 décoît linéaiement de I off à zéo pendant un temps t f. i T3 t t = Ioff f Le schéma équivalent de la figue I-0 monte que l on a : i LL dic3 LL dic + = Ioff + ic (II-4) R L dt R L dt d( ic3 ic ) + ( ic3 ic ) = Ioff dt c 3 + L R L L Avec : i c3 (0) i c (0) = I off. Ce qui donne : i c3 i c =I off (II-43) L équation des tensions s écit : dic3 U = vc 3 + LL + vc + R CCC dt dvc dt En déivant et emplaçant dv c3 /dt et dv c /dt pa : dv dt c3 LLdic3 = ic3 + it3 C C R L dt dv dt c = C C i c3 I off L + R L dic3 dt L Il vient que : L L C C R + R C L d ic3 dt + R C C C L + R L L di dt c3 + i c3 = I off t t f On pose alos : ω 3 = L L C C R + R C L, LL R CCC + R α = L 3 R + C 4LLCC R L Si ω3 > α 3, le couant i c3 a pou expession : ic3 α 3 = ω t 3 f Ioff sin α e α 3 t f 3 sin β t + ϕ + I + - t 5 5 off (II-44) ( ) ( ) ( ) ϕ 5 t ω 3 7

72 Chapite II Etude analytique et caactéisation du edesseu à MLI Avec : 5 = ω α 3 3 β, tg( ϕ ) 5 α3 β5 = α - ω 3 3 De l expession de i c3 on peut déduie v c3 et v c pa : I = off R ( ) + C dic3 vc3 t R C ic3 Ioff LL CCtf R L dt (II-45) v c I = off U t R C c3 off L CCtf R L dt R ( ) + C dic3 i I L Cette pemièe phase se temine à t = t f losque i T3 s annule, on a alos : i c3 ( t ) f α 3 = ω t 3 f I sin off e α 3 t f sin β5t f + ϕ I + off + α ( ) ( ) ( ) ϕ 5 tf ω i c vc 3 vc ( tf ) ic3 Ioff = (II-46) I R di = + C c3 f C c3 off LL CCt f f R L dt off ( t ) t R ( i I ) f I CC off ( tf ) = U + vc3( tf ) tf ( t ) A note que pendant cette pemièe phase, les vaiations de i c3, i c et v c, v c3 sont tès faibles, on peut pende : i c3 (t f ) = I off, i c (t f ) = 0, v c (t f ) = U, v c3 (t f ) = I off t f /C C. Phase (t f <t<t ) conduction simultanée de D C et les diodes D L Le schéma équivalent est celui de la figue (II.0), si ce n est que i T3 est maintenant nul. Les équations sont les mêmes que los du pemie intevalle mais avec : i T3 = 0. Le couant i c3 est solution de l équation : R C d ic3 LL dic3 L LCC = + + R CCC + + ic3 = Ioff R L R L dt dt Ce qui donne, si ω 3 > α 3 7

73 Chapite II Etude analytique et caactéisation du edesseu à MLI i c3 I i = off c3 ( t ) f sin I ( ϕ ) 6 off α 3 ( t t f e ) + sin β sin( ϕ6 ) ( ( )) α 3 t t f e sin β5 ( t tf ) + ϕ ( ( t t ) + ϕ ) 5 f ( ) 6 6 I + off (II-47) Avec : tg( ϕ ) Ioff ic3( tf ) 6 = β5 Ioff dic3 α 3 ic3( tf ) + dt β5 ( tf ) di ( t ) α3 + Ioff c3 f dt Le couant i c est encoe donné pa : i c = i c3 I off Le calcul de v c et v c3 donne : v c3 I = C off C t f t R C i c L L R + R C L di dt (II-48) Ioff tf R = + C dic3 vc U t R Cic LL CC R L dt Cette phase se temine pou t = t, quand la tension aux bones de la diode D C devient positive, cette diode ente en conduction. La valeu de t est telle que : ( t' ) dic3 vc ( t' ) + LL = U dt Ou encoe : C t' tf R ic c3 ( t' ) R di ( t' ) I off C C c3 + LL C C dt R On peut emplace i c et di c3 /dt pa leus valeus en t = t mais cela n appote pas de simplification, il n y a pas de solution analytique à cette équation et la valeu de t doit ête calculée pa une méthode numéique. A la fin de la seconde phase, les valeus atteintes pa les vaiables sont notées : i c (t ), i c3 (t ), v c (t ), v c3 (t ). = U 73

74 Chapite II Etude analytique et caactéisation du edesseu à MLI Phase 3 (t <t<t 3 ) conduction simultanée de D C, D, et les diodes D L La figue (II-) donne le schéma équivalent de cette phase, l un pou le calcul de i c, i c3 et l aute pou celui de v c. La figue (II--b) donne : v c c t t' R CCC ( t' ). e = v (II-49) i c L L R L I off i c3 L L R L U R C v c C C v c3 C C a) b) Fig.II. : Schéma équivalent de la phase 3 Le pemie schéma figue (II--a) monte que, comme pou les phases pécédentes et pou les mêmes aisons on a : i c =i c3 I off et di c3 /dt=di c /dt. Puisque : dic3 dvc3 LL U = vc 3 + LL, avec : CC = ic3 + dt dt R L dic3 dt Le couant i c3 est solution de l équation difféentielle : L = d ic3 LL dic3 L CC + + i c3 dt R L dt 0 En utilisant les paamètes ω, αet β définis los de l étude de la phase 3 de la commutation à la femetue, on obtient si ω > α : 74

75 Chapite II Etude analytique et caactéisation du edesseu à MLI ( t' ) ( ϕ ) ic3 α ic 3 = e sin 7 ( t t' ) sin( β ( t t' ) + ) ϕ 7 (II-50) Avec : tg ( ϕ ) 7 = α i c3 β i c3 ( t' ) ( t' ) di ( t' ) + c3 dt dic3 De l équation : vc3 = U LL, on déduit : dt vc 3 = U LLi c3( α + cot gβ ( t t' ) + ϕ 7 ) (II-5) Cette phase se temine losque le couant dans la diode D L change de signe, ce qui entaîne le blocage de cette diode. Ceci se poduit pou t = t 3, tel que : L + R di ( t' ) ic 3( t' 3 ) L c3 3 L dt = Ce qui donne : t ' t' + β actg α 0 β R L ϕ 3 = 7 L L A la fin du toisième intevalle on a : i c3 ( t' ) 3 = β L R L L i c3 sin ( t' ) ( ϕ ) 7 α ( ( t' 3 t' e )) i c ( t' 3 ) = ic3( t' 3 ) Ioff c 3 ( t' ) = U R i ( t' ) v + 3 L c3 3 C est à la fin de la toisième phase que la tension v T3 aux bones du tansisto T 3 est maximale, la tension est donnée pa : ( v ) = v ( t' ) T3 max c3 3 ic3 = U + βl L sin ( t' 3 ) ( ϕ ) 7 α ( ( t' 3 t' e )) 75

76 Chapite II Etude analytique et caactéisation du edesseu à MLI Phase 4 (t > t 3 ) conduction simultanée de D et les diodes D L i c L L R L I off i c3 U L L R L R C v c3 C C Fig. II. : Schéma équivalent de la phase 4 Le schéma équivalent pou le calcul de i c, i c3 et v c3 est celui de la figue (II-). Comme pou les di di c c3 phases pécédentes, on a encoe : i c = i c3 I off et =. dt dt dvc3 dic3 U = vc 3 + R CCC + LL et dt dt dvc3 LL CC = ic3 + dt R L dic3 dt On déduit : R C d ic3 LL dic3 LL CC + + R CCC + + ic3 = 0. LL dt R L dt En utilisant les paamètes ω, α, β 3 et ϕ 3 définis los de l étude de la phase 4 de la commutation à la femetue, on obtient si ω > α : c 3 ic3 = sin ( t' 3 ) ( ϕ ) i 3 3 α ( ( t t' ) e ) sin β3( t t' 3 ) + ( ) ϕ 3 (II-5) Le calcul de v c3 donné : v c 3 + R ( α +β cot g ( β ( t t' ) + ϕ )) = C U R Cic3 LL ic (II-53) R L 76

77 Chapite II Etude analytique et caactéisation du edesseu à MLI Losque t tend ves l infini, i c3 tend ves zéo, i c tend ves I off et v c tend ves zéo. La diode D se etouve seule conductice et la commutation se temine. II.6. Choix des éléments de Snubbe Le choix ésulte d un compomis ente la limitation de la suintensité et de la sutension dans les tansistos aux moments des commutations, et la limitation de la puissance dissipée dans les tansistos pendant ces commutations [SEG95]. Les elations obtenues pécédemment (los de l étude de la commutation) ne pemettent pas d abouti à des expessions généales des sutensions et des suintensités. Néanmoins ces denièes peuvent ête expimées pa des elations empiiques [SEG95]. I k = + K exp k + π (II-54) I k 4 La sutension poduite appotée à la valeu moyenne de la tension, soit U est donnée pa : V U = exp k 8k acth ( 8k ) (II-55) CC U Tel que : k = LL I RL k = (II-56) RC L τ = L = R CCC R L Il existe des abaques epésentant les vaiations de I / I et de V / U en fonction de k et k. Ayant choisi k et k pou limite I et V, on déduit les composants du snubbe à l aide des elations suivantes : U R C = R L = k RC (II-57) Ik k τ I CC = = τk k RC U L = τ L R L τ doit ête choisi gand devant le temps de descente du couant ( τ 0tf )[SEG95]. 77

78 Chapite II Etude analytique et caactéisation du edesseu à MLI II.7. Pincipe de la modulation de lageu d impulsions La modulation de lageu d impulsions (en anglais. Pulse Width Modulation) consiste à fome chaque altenance de la tension désiée de plusieus céneaux de lageus convenables. La multiplication du nombe des impulsions fomant chaque altenance d une tension pésente deux avantages impotants : Elle epousse ves les féquences les plus élevées les hamoniques de la tension d entée, ce qui facilite le filtage ; Elle pemet de faie vaie la valeu du fondamental de la tension. L esso de la modulation de lageu d impulsions est lié aux pogès su les semi-conducteus de puissance. Avec des composants tès apides fonctionnant à des féquences élevées, on peut augmente le nombe de commutations sans intoduie des petes excessives. Le plus souvent, on détemine en temps éel les instants de femetue et d ouvetue des inteupteus à l aide d une électonique de commande analogique ou numéique, ou en faisant simultanément appel à ces deux techniques. La détemination de ces instants est obtenue pa l utilisation des intesections d ondes de féquences difféentes. Dans cetaines applications, on calcul et on mémoise au péalable les instants de commande. Les inteupteus sont ensuite commandés pa micopocesseu. II.8. Modulation sinusoïdale II.8.. Caactéistiques de la modulation Pou une éféence sinusoïdale, deux paamètes caactéisent la commande : L indice de modulation m, égal au appot f /f des féquences de la poteuse et de la éféence ; Le coefficient de églage en tension, égal au appot de l amplitude de la tension de éféence à la valeu cête de l onde de modulation. D odinaie, la modulation est synchone, c'est-à-die f est multiple de f. La tension d entée u e est alos vaiment péiodique et a bien une péiode T=/f. Pou le cas du convetisseu, pou que les deux altenances de la tension d entée soient Identiques au signe pés, il faut que m soit pai. m On désigne pa P = le nombe d impulsions pa altenance. La figue (II-3) illuste les angles de commutation θ i (i=; 6), ou u e la tension d entée du convetisseu en supposant que la tension de sotie v c est constante et égale à U et la fome du couant de sotie i s en supposant que le couant d entée i est sinusoïdal pou : m=4, P = 6, = 0,8. 78

79 Chapite II Etude analytique et caactéisation du edesseu à MLI modulante poteuse θ θ θ θ 4 θ 5θ 6 3 π π u e +U -U i s Fig.II.3 : Fome d onde du couant de sotie i s et de la tension d entée u e II.8.. Etude de la tension d entée En se basant su la fome d onde de la tension u e, on peut obteni son développement en séie de fouie pa : Avec : ( hωt) + B cos( h t)) u e = (A h sin h ω (II-58) h= T A h = u e sin( h t)dt T ω (II-59) 0 T Bh = ue cos( h t)dt T ω 0 Comme u e est impaie et symétique alos B h est nul et u e peut s écie sous la fome : u ep si 0 θ π (II-60) u e - si π θ π u ep Tel que θ = ω t et u ep est la patie de u e coespondant à l altenance positive. Dans ce cas, l expession de A h devient : 79

80 Chapite II Etude analytique et caactéisation du edesseu à MLI Si h est pai, A h =0 Si h est impai alos : π π h A h = ( θ) θ ( ) ( θ) θ π u ep sin h d uep sin h d (II-6) 0 0 π Ah = ( θ) θ π uep sin h d (II-6) 0 Sachant que u e est symétique pa appot à π, le calcul de Ah se amène à l expession suivante : A h p [ cos ( hθ ) cos ( hθ ) + cos ( hθ )...( ) cos ( hθ )] 4U = 3 p (II-63) hπ D où la valeu efficace de l hamonique d ode h : U eh p [ cos ( hθ ) cos ( hθ ) + cos ( hθ )...( ) cos ( hθ )] U = 3 p (II-64) hπ II.8... Fondamental et déchet de tension Nous avons monté au chapite pécédent que losque l indice de modulation m est suffisant pou que l hamonique d ode 3 de la tension u e soit négligeable, la valeu efficace du fondamental de la tension d entée u e peut ête donné pa : U e = U (II-65) La valeu maximale que peut pende est ce qui coespond à : U e max = (II-66) ( U ) Dans le cas de la commande pleine onde, la valeu efficace du fondamental est : U e = (II-67) π U 0 Le appot ente ces deux valeus efficaces donne : Ue Ue0 π = = (II-68) 4 Donc la M.L.I poduit un déchet de tension de,46%.. 80

81 Chapite II Etude analytique et caactéisation du edesseu à MLI En éalité, si on tient compte de la lageu minimale à donne à chaque céneau de tension, on doit limite à une valeu inféieue à l unité. Sa valeu maximale est donnée quand P est gand pa : P θ m θ max = = (II-69) π π D où la nouvelle expession du déchet de tension. Ue Ue0 max = π m 4 θ π (II-70) A m donnée, le déchet de tension coit en fonction de θ. Mais il appaaît une valeu minimale de et donc de U e. Elle coespond à la lageu minimale des intevalles à u e nulle. θ Le déchet minimal est : Ue Ue0 min = π m 4 θ π (II-7) Pa conséquent, l augmentation du déchet de tension, au fu et à mesue que m coit est l une des aisons qui conduit à limite la valeu de m. II.8... Taux d hamoniques et hamoniques estants On peut calcule le taux d hamoniques pa l expession suivante : THD = UK+ = Ue U U e (II-7) e U K= e U e est la valeu efficace de la tension d entée u e. 8

82 Chapite II Etude analytique et caactéisation du edesseu à MLI La figue (II-4) monte la vaiation du taux d hamoniques en fonction de l indice de modulation m pou plusieus valeus du appot. 3,0 =0.,4,8 T =0.4 =0.6, = m Fig. II.4 : Le taux d hamonique pou une modulation sinusoïdale On emaque que la modulation de lageu d impulsion ne éduit pas le taux d hamoniques, celui-ci est patiquement indépendant de m, mais elle pemet de pousse les hamoniques ves les féquences les plus élevées, ce qui facilite leu filtage. Pou voi l influence des deux paamètes m et su le contenu hamonique de la tension d entée, on a tacé à la figue (II-5) la vaiation des pemies hamoniques dominants en fonction de pou quate valeus de m.(toutes les valeus sont appotées à U/ π ). 0.8 m =6 m = 0.8 U eh /U e U e3 U e U e5 U e U e7 U e U e = U e3 0. U e = U e7 U e9 = U e 5 U e3 = U e m =8 m = U eh /U e0 U e U eh /U e0 0.6 U e 0.4 U e7 = U e9 0. U e35 = U 39 U e5 = U e U e37 = U e U eh /U e U e U e3 = U e5 0. U e45 = U e5 U e = U e7 U e47 = U e Fig. II.5 : Vaiation des pemies hamoniques de u e 8

83 Chapite II Etude analytique et caactéisation du edesseu à MLI Les coubes epésentées pa cette figue montent que : Losque m est fixe : Le fondamental est popotionnel à, Au fu et à mesue que augmente cetains hamoniques qui étaient nuls appaaissent. Losque est fixe : La vaiation de m n influe pas su le fondamental (amplitude), Pou les faibles valeus de m (m=6), la tension u e contient des hamoniques non nuls d ode faible (5,7). L hamonique 3 devient non nul pou des valeus élevées de, Losque m augmente, cela pemet d élimine les pemies hamoniques (3, 5, 7, 9 pou m=) et (3, 5, 7,...9 pou m=8) mais cetains hamoniques d ode plus élevés appaaissent. II.8.3. Etude du couant de sotie Comme le monte la figue (II-3), le couant i s à la sotie du convetisseu a une féquence double de celle des gandeus d entée. La valeu de ces diveses composantes se déduit de la consevation de la puissance instantanée ente l entée et la sotie du convetisseu. Sa valeu moyenne est donnée pa : UeI Is = cos ( ϕ δ) (II-73) U Tel que I est la valeu efficace du couant d entée supposé sinusoïdal. Si on tient compte de l égalité (II-65) on obtient : Is = I cos ( ϕ δ) (II-74) Le maximum de cette valeu est égal à I /, alos que sans MLI il était I / π. Le maximum est donc divisé pa 4 / π, cela est dû au déchet de tension. Le fondamental de la tension d entée donne dans le couant de sotie un teme de féquence f. Si m est suffisant, l hamonique d ode du couant de sotie est dû au seul fondamental de u e et a pou valeu efficace : I s = I (II-75) II.9. Modulation calculée Au lieu de détemine les angles de commutations en temps éel, on peut calcule péalablement les séquences de commande, les mémoise et commande les inteupteus à pati de ces séquences mémoisées. La détemination des angles coespondant aux séquences peut utilise les mêmes lois que celles utilisées pou la commande en temps éel. Les pefomances obtenues avec celle-ci sont loin d ête mauvaises. Pou la modulation calculée, on ne peut plus utilise à popement pale la notion d indice de modulation puisque les angles de commutation sont calculés su des bases autes que l intesection d ondes de féquence difféente [ ENJ90 ]. 83

84 Chapite II Etude analytique et caactéisation du edesseu à MLI On caactéise la tension d entée pa : Le nombe d impulsions pa altenance P. Le appot ente la valeu efficace Ue du fondamental et la valeu Ue0 qu on auait si la tension d entée était fomée à chaque altenance d un seul céneau de lageu angulaie égale à π. Que P soit pai ou impai, P angles suffisent pou détemine la lageu de l ensemble des céneaux. II.9.. Elimination des pemies hamoniques de la tension d entée Que le nombe P d impulsions pa altenance soit pai ou impai, la valeu efficace du fondamental et celle des dives hamoniques impais de la tension d entée u e est donnée pa : u eh h [ cos ( hθ ) cos ( hθ ) +...( ) cos ( hθn )] U e = 0 + p (II-76) h On dispose de P angles pou détemine la lageu des P impulsions. On peut vaie la valeu de la tension d entée et annule les (P-) pemies hamoniques impais en ésolvant le système d équations non linéaies suivant : cos cos cos cos p+ ( θ ) cos ( θ ) +...( ) cos ( θ ) p+ ( 3θ ) cos ( 3θ ) +...( ) cos ( 3θ p ) = 0 p+ ( 5θ ) cos ( 5θ ) +...( ) cos ( 5θ p ) = 0 p+ ( ( p + ) θ ) cos (( p + ) θ ) +...( ) cos (( p + ) θ ) = 0 p U = U p e e0 (II-77) Le pemie hamonique estant est celui de ang (P+). Il y a donc (4P+) commutations à effectue pa péiode. II.0. Analyse des pefomances de la technique delta La modulation delta est une vaiation d un code en impulsions employée dans le éseau de télécommunication, elle est la simple méthode connue pou conveti un signal analogique à un signal logique [SEG95]. Dans sa fome simple figue (II-6), un signal d entée analogique y(t) est tansfomé en impulsions pa un modulateu «delta», ces impulsions sont pa la suite tansfomées en un signal analogique y ( ( t) pa un intégateu dans la boucle de etou. En suite, y ( ( t) sea extait de y(t) pou ( y t y t. Cette eeu est quantifiée à deux niveaux possibles ±. fome l eeu ( ( ) ( )) 84

85 Chapite II Etude analytique et caactéisation du edesseu à MLI y (t) ( y(t) y(t) + S δ (t) yp (t) y ( (t) Fig. II.6 : Schéma fonctionnel de la technique DELTA La boucle de etou assue que la polaité des impulsions est ajustée pa le signe de l eeu. Quand y ( ( t) est inféieu à y(t), l impulsion a le niveau +, losque cette impulsion est intégée, elle y ( t d ode. poduit un changement au niveau de ( ) Ce pocesseu continue jusqu'à ce que y ( ( t) dépasse y(t) ce qui cause une impulsion négative. La figue (II-7) monte la méthode avec laquelle on peut obteni le signal u e. Pou cette technique, i est une estimation d un signal sinusoïdal, il peut oscille à l intéieu d une bande définie de lageu h de pat et d aute d un signal de éféence i ef sinusoïdale. Les impulsions sont obtenues à l intesection du couant éel avec la éféence diminuée ou augmentée de la lageu de la bande d hystéésis. +U +U -U Fig. II-.7 : Pincipe de la technique delta 85

86 Chapite II Etude analytique et caactéisation du edesseu à MLI II.. Conclusion Dans ce chapite nous avons détaillé l étude du edesseu. Cette étude a monté les avantages que ce convetisseu pésente pa appot aux edesseus classiques à savoi : divesité de mode de fonctionnement (edesseu, onduleu et compensateu) avec un facteu de puissance vaiable. Nous avons monté également que le fonctionnement du convetisseu peut ête décit pa l équation d un cecle dans l axe des puissances actives et éactives. A pati des équations développées, nous avons déteminé les limites de stabilité du convetisseu et les conditions nécessaies pou assue son fonctionnement. L étude de la commutation de ce convetisseu peut mene au bon choix des éléments d aide à la commutation. Un calcul optimal de ces éléments end le convetisseu plus souple et plus pefomant. L étude faite dans ce chapite su les techniques de la modulation de lageu d impulsion à savoi la modulation sinusoïdale, la modulation calculée et la technique delta a monté que ces techniques éduisent d une manièe considéable l effet néfaste des hamoniques, ce qui pemet d allége les paamètes du filtage. Ces techniques poduisent un déchet de tension et possèdent un taux d hamonique constant. Pou la modulation sinusoïdale, il faut limite m à une valeu acceptable pou ne pas augmente le déchet de tension. Le niveau de tension vaie en fonction de, tandis que m pemet de faie appaaîte ou dispaaîte cetains hamoniques qui se egoupent en familles. Pou la modulation calculée, le choix du nombe d impulsions pa altenance P pou la détemination des angles de commutations et l élimination de (P-) pemies hamoniques est limité pa le déchet de tension, ce denie augmente avec P, Les hamoniques estants pésentent une vaiation identique avec des féquences difféentes. La technique delta(ou hystéésis) pésente l avantage d ête simple, mais la féquence de découpage n est pas fixe (elle évolue libement). 86

87 Chapite III Modélisation - Régulation - Résultats de simulation 87

88 Plan du chapite III III.. Modélisation. III... Intoduction.. III... Modélisation du edesseu monophasé III..3. Mise en équations de l'association edesseu monophasé-chage III..4. Modélisation du edesseu tiphasé... III..5. Mise en équations de l'association edesseu tiphasé chage III.. Etude de la égulation en cascade d'un edesseu tiphasé MLI.. III... Intoduction.. III... Modélisation des éléments de la boucle cascade. III... Desciption du edesseu tiphasé MLI.. III... Patie puissance.. III... Patie commande III... Modélisation de la boucle intene.. III...3. Modélisation de la boucle extene.. III..3. Schémas fonctionnels complets du edesseu tiphasé à MLI. III..3.. Intoduction. III..3.. Bilan de la puissance... III Calcul de la puissance active III Calcul de la puissance éactive III Consignes des égulations de couant dans le epèe abc.. III Stuctue de la égulation cascade dans le éféentiel abc. III Schéma fonctionnel complet du edesseu tiphasé à MLI III Mise en œuve de la égulation.. III..4. Synthèse des égulateus.. III..4.. Régulateu en couant de la boucle intene. III Utilisation d'un égulateu PI.. III..4.. Régulateu en tension de la boucle extene. III.3. Application de la statégie tiangulaie-sinusoïdale III.3.. Résultats de simulation en monophasé.. III.3.. Résultats de simulation en tiphasé (pemièe simulation) III.3.3. Résultats de simulation en tiphasé avec égulation. III.3.4. Résultat de simulation en tiphasé (deuxième simulation).. III.3.5. Résultat de simulation en tiphasé avec égulation (deuxième simulation) III.4. Etude de l association edesseu- onduleu de tension machine asynchone 33 III.4.. Intoduction 33 III.4..Caactéistiques de la machine asynchone alimentée pa un convetisseu 33 III.4.3 Avantages de la stuctue étudiée III.4.4. Desciption de l'ensemble edesseu-onduleu de tension-machine asynchone 34 III.4.5. Modélisation du edesseu AC/DC 34 III.4.6. Modélisation de l'onduleu de tension 34 III.4.7. Modélisation de la machine asynchone 38 III.5. Conclusion

89 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation III.. Modélisation III... Intoduction L'utilisation des edesseus classiques cause un fot taux d'hamoniques généé dans le éseau entaînant des distosions dans l'onde de tension, ce qui conduit à la détéioation du facteu de puissance du côté éseau [DEN0]. Pou évite ces petubations, on s'oiente de plus en plus ves le emplacement des edesseus classiques pa des edesseus à modulation de lageu d'impulsions capables : d impose une fome de couant sinusoïdale quel que soit le type de chage ; de contôle le facteu de puissance ; d assue la évesibilité fonctionnelle. Dans ce chapite, nous taitons de la modélisation du edesseu associé à deux types de chages commandés pa la statégie tiangulo-sinusoïdale. Nous pésentons les ésultats de simulation obtenus pou un fonctionnement en edesseu. III... Modélisation du edesseu monophasé A pati du schéma de pincipe illusté à la figue (II--a), et en emplaçant chaque couple tansisto+diode en antipaallèle pa un inteupteu pafait, on obtient la epésentation illustée pa la figue (III-). CHARGE Fig.III. : Repésentation simplifiée du edesseu monophasé Le fonctionnement évesible du edesseu peut ête epésenté pa le modèle suivant: Fig.III. : Modèle du edesseu 89

90 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation Cela nous pemet d'expime la elation ente les gandeus d'entée et celles de la sotie du edesseu pa les équations suivantes : u U Vc { i e =. = U. i s (III-) U : epésente la fonction commande du edesseu, elle dépend des séquences de femetue et d'ouvetue des inteupteus k, k, k3 et k4. U = si (K et k) femés, (k3 et k4) ouvets 0 si (Ket k4) femés, (k et k3) ouvets ou si ( Ket k4) ouvets, (k et k3) femés - si (Ket k) ouvets, (k3 et k4) femés (III-) En MLI, suivant la fome de U, la commande est dite unipolaie ou bipolaie (figue III-3), le choix ente les deux types de commande dépend essentiellement de la fome de u e désiée. Fig.III.3 : Type de commande en MLI Comme on le constate tois états sont possibles pou U dans le cas de la commande unipolaie à savoi (, 0 ou -). Pou U =, la configuation de l ensemble souce-edesseu-chage est epésenté pa la figue (III-4-a).La tension d'entée du edesseu et le couant de sotie sont donnés pa : u e =V c i s =i Pou U =0, figue (III-4-b), dans ce cas u e et i s seont tous les deux nuls. u e =0 i s =0 Enfin pou U =-, figue (III-4-c), les vaiables u e et i s sont données pa : u e =-V c i s =-i 90

91 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation Fig.III.4 : Modèles des difféents modes de fonctionnement du edesseu v et i étant espectivement la tension de la souce d'alimentation et le couant à l'entée du edesseu. III.l.3. Mise en équations de l'association edesseu monophasé chage Les équations donnant le couant d entée et la tension de sotie du convetisseu sont les suivantes : di V R i u e = dt L V (III-3) dvc is id = dt c 9

92 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation i d étant le couant absobé pa la chage (cas monophasé), cependant les équations le donnant dépendent de la natue de celle-ci : Mache à vide : i d = 0 Débit su chage ésistive (R d ) : Vc i d = (III-4) Rd Débit su chage ésistive inductive (R d, L d ) : did Vc Rdid = (III-5) dt Ld Débit su une chage active (R d, L d, E) : did dt V = c Rdi L d d E (III-6) Et enfin pou le débit su un moteu à couant continu à excitation indépendante : did = dt dω = dt ( V R i kω) c m d ( ki k Ω) d j m L m (III-7) (III-8) La simulation s exécute selon l'oganigamme de la figue (III-5). Les inteupteus sont commandés deux à deux. La commande des inteupteu d un même bas est complémentaie.. 9

93 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation Vm= sin(ωt) Fig.III.5: Oganigamme de simulation de la statégie tiangulo-sinusoïdale et de l ensemble souce-edesseu monophasé-chage 93

94 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation III..4. Modélisation du edesseu AC/DC tiphasé Nous nous intéessons dans un pemie temps à la simulation numéique de l'ensemble souce - convetisseu - chage epésentée pa la figue (III-6). La souce est modélisée pa une souce tiphasée sinusoïdale en séie avec une inductance L et une ésistance R epésentant l'impédance totale de la ligne (éseau) et des fuites du tansfomateu amenées à son secondaie. i c R d L d Fig.III.6 : Schéma du système simulé La stuctue de la figue (III- 6) est décomposée en quate blocs distincts : Le bloc souce Le bloc convetisseu Le bloc chage Le bloc commande III..4. Bloc souce Le bloc souce est composé d'une Fem tiphasée puement sinusoïdale en séie avec une ésistance R et l'inductance L su chaque phase (figue III-7). Le éseau est supposé pafaitement équilibé. Les impédances des tois phases sont identiques. On a: V = V max sinωt V V 3 = V = V max max π sin ωt 3 π sin ωt 4 3 (III-9) 94

95 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation R L i u e V R L i V u e R L i 3 V 3 3 u e3 Fig.III.7 : Schéma du côté éseau On note pa u e, u e et u e3, les tensions simples (pa appot au neute de la souce) aux bones de sotie de chaque phase. On déduit du schéma ci-dessus (figue III-7) le système d'équations difféentielles donnant le couant i i dans chaque phase. On a : d dt i i i 3 R L = R L R L i i i 3 + L V V V 3 - u e u - u e u - u e3 u e e e3 (III-0) III.4.. Bloc convetisseu Il est epésenté pa le schéma de la figue (III-8). Les IGBT et les diodes constituant le pont sont supposés idéaux. Les commutations sont supposés instantanées et les petes pa conductions et pa commutation sont négligées. i s i i i Fig.III.8: Schéma du convetisseu AC/DC tiphasé 95

96 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation 96 Connaissant l'état de chaque inteupteu, on peut défini la matice de connexion du pont. On en déduit alos l'expession des gandeus d'entée en fonction des gandeus de sotie. Les tensions u ei, d entée du edesseu en fonction de la tension de sotie v c et des états des inteupteus S i (i=,6) sont données pa la elation: (III-) u e,,3 : tension pa appot au neute de la souce. De même on peut expime le couant de sotie i s en fonction des couants d'entée pa la elation : (III-) III Bloc chage Ce bloc est composé d'une capacité C en paallèle su une ésistance R d et une inductance L d (figue III-9). Fig.III.9: Schéma de la chage = 0 V u u u C e3 e e... [ ] = s i i i S S S i R d L d C S S 4 S 3 S 6 S 5 S

97 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation La tension V c aux bones de la chage est donnée pa l'équation suivante : dv dt C is id = C (III-3) did dt V = C Rdi L d d (III-4) III..5. Mise en équations de l'association edesseu tiphasé-chage Les équations donnant le couant d'entée et la tension de sotie du convetisseu sont les suivantes: di V Ri ue dt = L di V Ri ue dt = L (III-5) (III-6) di3 V3 Ri3 ue3 dv dt dt C = L (III-7) is id = (III-8) C i d est le couant absobé pa la chage (cas tiphasé), son équation dépend de la natue de celle-ci. à vide : i = 0 d Pou une chage ésistive R d : VC i d = (III-9) R d Pou une chage ésistive inductive (L d, R d ): did VC Rdid = (III-0) dt L d Pou une chage active (L d, R d,e) : di d dt V R C d d = (III-) L d i E 97

98 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation 98 La simulation est faite à base de l'oganigamme de la figue (III-0). ω [ ] [ ] = = s c 5 3 e 3 e e i i i U U U i V U U U 3 / u u u

99 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation Fig.III.0 : Oganigamme de simulation de la statégie Tiangulo-sinusoidale tiphasée et de l ensemble souce edesseu tiphasé-chage p 99

100 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation III.. Etude de la égulation cascade du edesseu tiphasé à MLI III... Intoduction L'objet de cette patie est de pésente les méthodes de commande du edesseu à modulation de lageu d'impulsion. Tout au long de cette patie seont abodés les difféents éléments intevenant los de la conception de la commande d'un edesseu tiphasé : La modélisation des boucles de la égulation cascade, le calcul des consignes, les calculs des coecteus. Le type de commande qui sea appofondie est la commande dans le epèe abc. III... Modélisation des éléments de la boucle cascade III... Desciption du edesseu tiphasé à MLI III... Patie puissance Souce altenative Chage Continue Commande MLI Fig.III. : Schéma de pincipe de edesseu à MLI en boucle ouvete Le schéma du cicuit étudié appaaît su la figue (III-). On note les tensions V V, V 3 et les couants du éseau i, i, i 3. Le edesseu à MLI est constitué de tois (03) bas. Les inteupteus sont fomés de tansistos IGBT avec une diode en antipaallèle. Le éseau, modélisé pa une souce de tension en séie avec une impédance, l'ensemble de la tension éseau et du filte en séie avec l'inductance epésente une souce de couant. Du coté continu, une capacité set de souce de tension et autoise l'utilisation de ce montage en fonctionnement edesseu ou onduleu, la chage du coté continu est epésenté pa une ésistance R d. 00

101 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation III... Patie commande La égulation du edesseu à MLI peut se décie sous la fome d'une égulation cascade. Des boucles intenes égulent les couants de phases et une boucle extene égule la tension de capacité (Fig III-). cm Fig. III. : Schéma bloc de pincipe de la égulation cascade d'un edesseu tiphasé à MLI Le schéma de la figue (III-) epésente un schéma bloc illustant le pincipe de la égulation cascade. L'eeu en tension est issue de la difféence des valeus de la tension continue de éféence V cef, et la tension continue mesuée V c. La sotie du coecteu founie les valeus de éféence des couants de phase, i ef, i ef, i 3ef. Les fonctions de tansfet en boucle ouvete des boucles intenes, G boi et de la boucle extene, G boc, coespondant aux modèles des boucles intenes et de la boucle extene espectivement seont définies dans les paagaphes suivants. III... : Modélisation de la boucle intene La synthèse d une égulation nécessite la desciption du système physique au moyen d'un modèle. L'objectif des boucles intenes est de égule les couants du éseau afin de minimise leu contenu hamonique et d'échange avec le éseau une cetaine puissance active P ef et éactive Q ef. Ces boucles peuvent ête de ou 3 suivant le choix du epèe de commande : une commande dans le epèe diphasé dq ou une commande dans le epèe tiphasé abc. On se limite dans ce paagaphe à l'étude d'une seule boucle de égulation, épétée deux ou tois fois suivant le choix du éféentiel, dq ou abc. La boucle de égulation intene s'applique au modèle d'une phase du éseau (figue (III-3)). 0

102 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation L R i 3 V 3 Souce u e3 Fig.III.3 : Modélisation d'une phase du éseau La modélisation se limite à la tension du éseau V 3 en séie avec une impédance, constituée d'une inductance L et d'une ésistance R. La fonction de tansfet en boucle ouvete est celle d un système de pemie ode, ayant pou vaiable d'entée la tension aux bones de l'impédance (V 3 -u e3 ), et pou vaiable de sotie le couant i 3. La tansfomée de Laplace de la fonction de tansfet en boucle ouvete de la égulation en couant s'écit donc : G boi ( p) i3 = = avec V u R 3 e3 ( + T. p) n L T n = (III-) R La ésistance du éseau étant généalement faible, la fonction de tansfet en boucle ouvete se compote patiquement comme un intégateu. i 3ef + - i 3mes Coecteu en couant G boi Fig.III.4 : Boucle intene su la phase 3 III...3. Modélisation de la boucle extene Deux appoches sont possibles pou le choix du modèle de la boucle extene. En effet dans un pemie choix la égulation s'effectue su V c au moyen de l'équation de puissance comme pésenté dans [NON9]. Dans un second choix, on considèe le couant continu et la chage coté continu et la égulation s'effectue su V c. Dans le pemie cas, la non-linéaité appaaît los du passage de la boucle intene à la boucle extene (Calcul des puissances active et éactive de éféence). 0

103 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation Le choix s'est poté su une indépendance des deux boucles de égulations et su une égulation de V c. La boucle de égulation extene de la boucle cascade maintient la tension de capacité V c à une tension de éféence V Cef. La capacité C est en paallèle avec une chage assimilée à une ésistance R d. L'impédance ainsi constituée est chagée pa le couant i s issue du edesseu à modulation de lageu d'impulsion. La fonction de tansfet considéée a donc pou gandeu d entée le couant continu issu du edesseu i s, et comme gandeu de sotie, la tension aux bones de la chage V c. Le schéma coespondant est celui de la (figue III-5). Redesseu + Réseau R d chage Fig.III.5 : Modélisation de la patie continue du edesseu à MLI Le calcul de la fonction de tansfet donne un modèle de pemie ode, dont la tansfomée de la place est : VC ( p) R i p = d + T. p avec T R C C = d. (III-3) s ( ) ( ) C V cef + - V cmes Coecteu en tension G boc Fig. III-6 : Schéma-bloc de la boucle extene La dynamique de la boucle intene est plus apide que la boucle extene. Ceci pemet de considée les deux boucles indépendantes et d'assimile à un bloc de gain égal à l unité la boucle intene égulée (figue III-6). III..3. Schémas fonctionnels complets du edesseu à MLI III..3.. Intoduction L'objectif du paagaphe est d'établi le schéma fonctionnel complet du edesseu à MLI commandé pa la égulation cascade, en utilisant d'abod les notations du epèe abc. Le calcul des valeus de consigne du couant est issu du calcul du bilan de puissance qui est abodé dans le paagaphe suivant. 03

104 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation 04 III..3.. Bilan de puissance Le bilan de puissance coté éseau, puis coté chage pemet d'établi le lien ente la boucle extene et les boucles intenes. La sotie du égulateu de la boucle extene founie la puissance P nécessaie au fonctionnement du pont edesseu. De cette puissance se déduit le calcul du couant éseau de éféence à applique au niveau des boucles intenes. Les calculs de puissance pésentés utilisent les composantes de pak. Ils définissent dans le même espit les puissances actives et éactives instantanées. III Calcul de la puissance active (III-4) Le calcul de la puissance s'obtient au moyen de la fomule classique : P= V i +V i + V 3 i 3 = (V ) t (i ) [ ] [ ] = q d t q d i i p V V p θ θ [ ] q q d d i V i V + = 3 L'équivalence avec la puissance active dissipée du côté chage, dans l'hypothèse où l'on néglige les petes dans le convetisseu donne : [ ] q q d d s C i V i V i V p + = = 3. (III-5) III Calcul de la puissance éactive A pati de la fomule de la puissance active au moyen des composantes de Pak, la puissance éactive est déduite en emplaçant le couant éseau pa le couant en quadatue (-90 degés) dans le epèe dq. ` i` Fig.III.7 : Calcul du couant en quadatue dans le epèe dq ( ) [ ] ( ) [ ] = = = = = q d q d i i p i i i i t V V p V V V V 3 3, θ ω θ θ i`q = -i d i`d = i q

105 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation 05 En considéant l'équation III-5 et la figue III-7, la puissance éactive et de la fome : [ ] [ ] d q q d q q d d i V i V i V i V Q = + = 3 ' ' 3 (III-6) Une seconde possibilité est d'utilise la tension en quadatue (90 degé), la puissance obtenue est alos équivalente à la puissance éactive pou un système tiphasé équilibé. Pou le calcul de la tension en quadatue, on utilise les tensions composées du éseau. + + = V V i V V i V V i Q = 3 t 3 V V V i i i III Consignes des égulations de couant dans le epèe abc Dans le epèe abc, le système de tension tiphasé équilibé est de la fome : Avec V=Tension Cète. Nous chechons à obteni un couant éseau en phase avec la tension, le couant éseau est donc de la fome suivante : L'amplitude I du couant de consigne à impose pou obteni ce déphasage nul est déduite du bilan de puissance. La puissance active s'écit : VI p 3 = En posant P 3 V ef Kef =, les couants de éféences s obtiennent en multipliant les tensions du éseau pa le coefficient Kef. (III-7) ( ) ( ) = 3 4 cos 3 cos cos π α ω π α ω α ω t t t V V = = = = ef ef ef ef ef ef ef V K i V K i V K i Q ( ) ( ) = 3 4 cos 3 cos cos. 3 π α ω π α ω α ω t t t I i

106 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation Le système (III.7) founit les couants de consignes à impose en boucle ouvete, pou obteni l'échange de puissance choisi avec le éseau, soit P ef = P et Q ef = 0. La figue III-8 epésente le système de calcul des éféences des couants de phase, dans le epèe abc. Fig. III.8 : Calcul des couants de éféence dans le epèe abc. III..3.3 Stuctue de la égulation cascade dans le éféentiel abc III Schème fonctionnel complet du edesseu à MLI On peut écie les équations électiques su chacune des phases du éseau : ue = V ue = V ue3 = V 3 + Ri + Ri + R i R 0 0 L 0 0 d( i,,3 ) =,,3,,3 + 0 L 0 (III-9) dt 0 0 R 0 0 L Soit ( u ) ( V ) + 0 R 0 ( i ) e,,3 3 + L + L + L di dt di (III-8) dt di 3 dt Le schéma du edesseu à MLI a été défini (figue (III-)). La (figue III-0) epésente le schéma fonctionnel du edesseu à MLI. Les commandes U, U 3, U 5, appliquée au edesseu, génèent les tensions u e,u e, u e3 (les tensions u el,,3 sont founies pa le convetisseu). Les difféences de potentiel aux bones des impédances éseau, engendent les couants du éseau i l, i, i 3. 06

107 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation Fig.III.9 : Schéma fonctionnel d un edesseu à MLI dans le epèe a,b,c On voit appaaîte les modèles des tois phases du éseau en (figue III-4). Les couants sinusoïdaux sont ensuite découpés à taves les commutations des inteupteus pou founi le 07

108 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation couant continu i s, ce denie s'obtient pa la fomule suivante : i = U i + U i + U i (III-30) s Le couant continu i s chage la capacité C en paallèle avec la chage R d. dv V i + c c s = c (III-3) dt R d Le schéma fonctionnel étant établi, il est possible de défini la égulation cascade dans le epèe abc, on fait le choix d'établi une égulation de la boucle intene avec tois égulateus, un su chaque phase.. 08

109 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation Vcef + is - p V U U3 U5 - + mes Fig.III.0.a: Régulation d un pont edesseu à MLI dans le éféentiel abc. 09

110 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation I def R d U P - () U 3 I qef R q U 5 I dmes I qmes V dmes V qmes Fig.III.0.b : Régulation du couant éseau dans le éféentiel dq. III Mise en œuve de la égulation La stuctue de commande pésentée su la figue III-0-a pésente la égulation cascade complète dans le éféentiel abc. La tension de éféence de capacité V cef fixée epésente la gandeu de éféence de la boucle extene. L'eeu en tension V cef - V mes est la gandeu d'entée du égulateu de tension. la vaiable de sotie du égulateu de tension est le couant continu i s, ce denie founit la éféence de l'amplitude des couants éseau à pati de l'équation (III-7). En posant Q = 0, et en calculant p, on emaque que p est calculée à pati de V cef et non de V cmes pou évite un etou. Les boucles en couant s'effectuent su les 3 phases, dont les soties donnent les valeus de commande en tension U l, U 3, U 5 du edesseu à modulation de lageu d'impulsions. Le calcul des instants d'ouvetue et de femetue des inteupteus dépend de la méthode de MLI choisie. III..4. Synthèse des égulateus Ce chapite pésente le calcul d'un type de égulateu qui peut ête utilisé pou égule les boucles intenes ou extenes, deux types de coecteus sont possibles : Coecteus PI ; Coecteus IP. III..4. Régulateu en couant de la boucle intene La connaissance de la fonction de tansfet en boucle ouvete et la echeche d'un second ode pou la fonction de tansfet en boucle femée pemet de calcule la fome du égulateu. 0

111 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation III..4.. Utilisation d'un égulateu PI La fonction de tansfet en boucle ouvete de la boucle intene étant un pemie ode, un égulateu popotionnel intégal pemet d'obteni une eeu statique nulle en égime pemanent. La tansfomée de Laplace du égulateu PI et de la fonction de tansfet en boucle ouvete sont : F egi = K pi K + p ii et. G boi = R ( + T ) p n& (III-30) La fonction de tansfet en boucle femée de la boucle intene se pésente comme suit : G bfi ( p) = R Tn K ii K p i p + K ii K pi + R p + K p + III..4.. Régulateu en tension de la boucle extene ii (III-3) Pou la boucle extene difféente options peuvent ête pises suivant le type de la chage : couant constant, puissance constante, où chage ésistive. Le cas de la chage ésistive a été pis los de la modélisation. La fonction de tansfet en boucle ouvete est du pemie ode. La dynamique de la boucle intene ayant été choisie d'une constante de temps beaucoup plus faible que celle de la boucle extene losque l'on se place dans le cas d'une chage ésistive, un coecteu PI donne de bon ésultats pou la boucle extene. V cef + - Fig.III. : Schéma de la boucle extene. La dynamique de la boucle intene étant choisie beaucoup plus apide que celle de la boucle extene, la fonction de tansfet de la boucle intene est donc éduite a un simple gain quand on calcule la boucle extene.

112 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation III.3. Application de la statégie tiangulo-sinusoidale Le pincipe de cette méthode consiste en la compaaison d'un signal tiangulaie Vp de féquence f p dit onde poteuse avec un signal V m dit onde de éféence ou modulante qui pote les caactéistiques de fome et de féquence de l'onde désiée à l'entée du convetisseu soit u e. La figue (III-) illuste deux cas de figue de fome d'ondes. +U +U/ V m V m +U t -U/ +U/ t t t t (a) -U/ Pou ces deux cas de figues, le calcul de la valeu moyenne du signal U emoy donne : U emoy =Vm Remaque : Fig.III-: Fomes d ondes en commandes MLI a) Commande unipolaie b) Commande bipolaie On peut démonte le même ésultat pou des valeus négatives de V m, il suffit simplement d'invese l'onde poteuse, on aive ainsi à la conclusion suivante qui est la base de la technique tiangulo- sinusoïdale : Si la éféence vaie sinusoïdalement, la valeu moyenne du signal désié vaie suivant la même loi. C'est en fait ce ésultat qui est exploité dans cette technique pou donne deux cas de figues de commande : commande tiangulo-sinusoïdale unipolaie et commande tiangulosinusoïdale bipolaie. (Figue III-3-4). (b)

113 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation + v m v p t - u e +U t -U Fig. III-3: Commande tiangulo-sinusoïdale unipolaie + v m v p t - u e +U t -U Fig.III-4: Commande tiangulo-sinusoïdale bipolaie La technique de commande taingulo-sinusoïdale telle qu'elle est définie peut pemette un églage pa les deux paamètes suivants : L'indice de modulation m=f p /f m, qui influe pincipalement su le contenu hamonique de l'onde de sotie. L'augmentation de m epousse les hamoniques ves des angs élevés,donc plus faciles à filte. 3

114 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation Le appot de églage =V m /V p, V m et V p étant espectivement la valeu maximale de la éféence et la valeu de cête de la poteuse; ce appot influe diectement su la valeu efficace de U e. III.3.. Résultats de simulation en monophasé Nous pésentons ici les ésultats obtenus pou un débit su une chage ésistive-inductive, pou les deux types de commande unipolaie et polaie. Les paamètes choisis pou la simulation sont [DEN0]: = 0,7 m = 8 f = 50 Hz V eff = 50 V C = 47.0 µf R = 5Ω L = 0,04H R d = 80Ω L d =0,54 H. votage v(v) cuent i(a) time(s)(a) time(s)(b) cuent is(a) voltage vc(v) time(s)(d) time(s)(e) PWM voltage ue(v) time(s)(c) load cuent id(a) time(s)(f) Fig.III.5 : Statégie tiangulo-sinusoïdale bipolaie 4

115 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation cuent i(a) voltage v(v) PWM voltage ue(v) time(s)(a) time(s)(b) time(s)(c) cuent is(a) voltage vc(v) load cuent id(a) time(s)(d) time(s)(e) time(s)(f) Fig.III.6 : Statégie tiangulo-sinusoïdale unipolaie i (A) v (V) i (A) v(v) i(a) v(v) t(s) Fig. III.7 : Le couant côté éseau i (amplifié) et la tension souce v pou φ =0 5

116 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation i(a) t(s) Fig.III.8 : Le couant côté éseau i Ue(V) t(s) Fig.III.9 : La tension d entée u e (bipolaie) 6

117 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation Ue(V) t(s) Fig.III.30 : La tension d entée u e (unipolaie) is(a) t(s) Fig.III.3 : Le couant de sotie i s du edesseu ( bipolaie) 7

118 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation is(a) t(s) Intepétation des ésultats Fig.III.3 : Le couant de sotie i s du edesseu (unipolaie) Le coefficient de églage en tension influe simultanément su la tension de sotie V c et le couant i d'une façon invese, c est-à-die, qu une augmentation de la tension de sotie est conditionnée pa une diminution du couant d'entée i. Les figues III-5-a et III-6-a montent le couant en égime pemanent; nous emaquons que ce denie est en phase avec la tension V, apès le décalage de l'onde poteuse d'un angle δ pa appot à la tension V. A pati de la fome du couant i, il est clai que ce denie est sinusoïdal avec une fome qui suit les séquences de commutation des inteupteus. Les figues III-5-d et III-6-d indiquent le couant de sotie du convetisseu: Nous emaquons qu il peut pende des valeus négatives dans le cas de la commande bipolaie, pou la commande unipolaie, le couant i s pésente des valeus négatives de tès coutes duées à cause du décalage intoduit au niveau de l'onde poteuse. Les figues III-5-e, III-5-f, III-6-e, III-6-f montent la tension V c et le couant absobé pa la chage ; nous voyons que la tension augmente pou atteinde une valeu constante. Le temps de montée de la tension dépend de la capacité placée, il coit avec l'augmentation de cette denièe. Le couant absobé pa la chage a patiquement la même allue que la tension V c. Les figues III-5-c, III-6-c, illustent la tension u e à l'entée du convetisseu, cette tension a une fome de peigne qui vaie selon la commande unipolaie ou bipolaie. 8

119 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation III.3.. Résultats de simulation tiphasée (pemièe simulation) On pésente ici les ésultats obtenus pou un débit su une chage ésistive de ésistance R d. Les paamètes choisis pou la pemièe simulation étant [NON9, DEN0] : = 0,8; m = 8; f = 50 Hz; V eff = 0 V; C = 0,04F R =0.008Ω; L = 0,0006H; R d = 4Ω ue3 (V) ue (V) ue (V) Temps (s) Fig.III.33 : Les tensions simples à l entée du edesseu u e, u e, u e3 THD(%)= pu Rang (h) Fig. III.34 : Specte hamonique de u e et son THD 9

120 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation ue3 (V) ue3 (V) ue (V) Temps (s) Fig.III.35 : Les tensions composées à l entée du edesseu u e, u e3, u e3 THD(%)= pu Rang (h) Fig.III.36 : Specte hamonique de u e et son THD 0

121 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation V..3 (V) Temps(s) Fig.III.37 : Les tensions de souces V, V, V 3. THD(%)= pu Rang (h) Fig.III.38: Specte hamonique de V et son THD

122 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation i3 (A) i (A) i (A) Temps(s) Fig.III.39 : Les couants côté éseau i, i, i 3 THD(%)= pu Rang (h) Fig. III-40 : Specte hamonique de i et son THD

123 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation is(a) Temps(s) Fig.III.4 : Le couant à la sotie du edesseu i s V 00 i i (A), V (V) Temps(s) Fig.III.4 : Le couant côté éseau i et la tension souce V pou φ=0 3

124 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation III.3.3. Résultats de simulation en tiphasé avec égulation (pemièe simulation) On pésente ici les ésultats obtenus pou un débit su une chage ésistive constituée d'une ésistance R d. Les paamètes choisis pou la pemièe simulation étant : = 0,8; m = 8; f = 50 Hz; V eff = 0 V; C = 0,04F R =0.008Ω; L = 0,0006H; R d = 4Ω tension edessée Vc 400 Vc(V) 300 vc (V) t(s) Fig. III.43 : La tension V c et sa éféence i,ief (A) Temps(s) Fig.III.44 : Le couant i et sa éféence 4

125 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation Fig.III.45 : Le couant côté éseau i et la tension souce V pou φ=π/3 Vc (V) Temps (s) Fig. III.46 : La tension aux bones du condensateu V c pou φ=π/ is(a) Temps(s) Fig.III.47 : Le couant à la sotie du edesseu i s pou φ=π/3 5

126 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation III.3.4. Résultats de simulation en tiphasé (deuxième simulation coespondant à la éalisation patique) Les paamètes choisis pou la deuxième simulation étant : f=50 Hz V cef = 300 V C=4.5mF R =0.5Ω L = 0.06H R d =00Ω T=00µs V =0V i3 (A) i (A) i (A) Fig.III-48 : Les couants côté éseau i, i, i 3 Fig. III-49 : Specte hamonique de i et son THD 6

127 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation ue3 (V) ue (V) ue (V) Fig3 III.50 : Les tensions simples à l entée du edesseu u e, u e, u e3 Fig.III-5 : Specte hamonique de u e et son THD 7

128 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation ue3 (V) ue3 (V) ue (V) Fig.III.5 : Les tensions composées à l entée du edesseu u e, u e3, u e3 Fig.III-53 : Specte hamonique de u e et son THD 8

129 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation Fig.III.54 : Le couant à la sotie du edesseu i s III.3.5. Résultats de simulation en tiphasé avec égulation (deuxième simulation) On pésente ici les ésultats obtenus pou un débit su une chage ésistive constituée d'une ésistance R d. Les paamètes choisis pou la simulation étant : f=50 Hz V cef = 300 V C=4.5mF R =0.5Ω L = 0.06H R d =00Ω T=00µs V =0V vc, vcef(v) Fig.III.55 : La tension v c et sa éféence 9

130 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation Fig. III.56 : Le couant côté éseau i et la tension souce v pou φ=0 i(a),v(v) v(v) i(a), v(v) Fig.III.57: Le couant côté éseau i et la tension souce v pou φ 0 30

131 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation Fig.III.58 : La éponse de la tension v c à un échelon de tension éseau v i, ief v, vc(s) i ef Fig.III.59 : Le couant côté éseau i et sa éféence 3

132 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation V(V) Fig.III.59-a : Résultats de simulation pou une vaiation de la tension d entée avec (R d =00Ω) Intepétation des ésultats : Temps (S) Les difféents tests de simulation véifient la validité de la méthode MLI poposée aussi bien en égime statique qu en égime dynamique. Les figues (III-39) et (III-48) epésentent les couants de phases, on emaque que les tois couants sont pesque sinusoïdaux, ce qui donne un faible taux de distosion hamonique. Les figues (III-4) et (III-56) montent que le couant i est en phase avec la tension V (un facteu de puissance unitaie). Les figues (III-45) et (III-57) pésentent la possibilité d agi su le déphasage ente le couant et la tension du éseau ce qui nous pemet de contôle le facteu de puissance. 3

133 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation Les figues (III-43) et (III-55) montent la tension V c aux bones de la capacité. Nous voyons que la tension augmente pou atteinde la consigne avec un petit dépassement, le temps de montée dépend de la capacité placée, il coit avec l augmentation de cette denièe. La figue (III-58) monte que la égulation de tension de capacité peut assue à la chage la stabilité de la tension à ces bones en cas d une vaiation busque de la tension du éseau. Les ésultats de la figue (III-59-a) montent les fomes d ondes dans le cas d une vaiation de la tension d entée, une diminution d envion de 35% puis une augmentation coespond à plus de 30% de sa valeu initiale. On voit bien que le couant diminue avec la diminution de la valeu de la tension et accoit avec son augmentation. Ce changement de tension d alimentation n influe pas su la tension de sotie du edesseu qui demeue constante et égale sa éféence. III.4. Etude de l association edesseu-onduleu de tension -machine asynchone III.4.. Intoduction Actuellement, l'évolution des locomotives électiques modenes s'oiente ves des vitesses et des puissances élevées. Il semble que les moteus de taction qui peuvent éponde à ces exigences, sont les moteus à couant altenatif synchone et asynchone. L'alimentation classique de l'onduleu associée à ce type de moteus utilisent des edesseus à diodes ou à thyistos fonctionnant à commutation natuelle qui vis-à-vis du éseau d'alimentation pésentent des inconvénients impotants tels que : injection des hamoniques dans le éseau d'alimentation ; consommation de la puissance éactive, ce qui affecte le facteu de puissance [GRO9], [MAH95], [MAH9l]. Les avantages économiques qu'ils pésentent deviennent incontestables devant les exigences hamoniques stictes, ce qui a encouagé plusieus checheus à s investi dans ce domaine [GUA 94]. Dans ce chapite, nous étudieons l'association edesseu onduleu de tension-machine asynchone. Le edesseu et l'onduleu sont commandés pa les techniques MLI. III.4.. Caactéistiques de la machine asynchone alimentée pa un système edesseu-onduleu C'est le type d'alimentation le plus épandu, l'association classique : edesseu -onduleu de tension-machine asynchone pemet de faie fonctionne la machine à couple constant, en imposant la commande classique v/f=cte pa le double églage de la féquence pa l'intemédiaie d'un cicuit de commande qui assue l'allumage et l'extinction des I.G.B.Ts de l'onduleu. Cette alimentation est illustée pou des machines de faible et de moyenne puissance, pou une gamme de féquence allant jusqu'à 00 Hz. Le endement de l'association est au voisinage de 85% et le facteu de puissance est à peu pès 0,95 en pleine vitesse [FOR89]. La machine peut fonctionne dans une gamme de vitesse de 0 à 00%, elle peut change de sens de otation, losqu'on invese l'ode de commutation des IGBT du pont onduleu ; les diodes de etou pemettent de edesse les couants débités pa la machine en généatice asynchone. L'énegie de feinage est écupéée pa adjonction d'un deuxième pont (pont bêche) fonctionnant alos en onduleu. 33

134 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation III.4.3 Avantages de la stuctue étudiée La stuctue étudiée pemet de faie mache la machine asynchone à couple constant, c'est à die à v/f constant en églant la tension cette fois-ci pa le edesseu en agissant su le appot cyclique de la MLI sinusoïdale. La féquence est églée comme pécédemment pa l'onduleu. Les avantages majeus sont : le fonctionnement à facteu de puissance unitaie côté éseau et la mache dans les quate quadants (couple-vitesse) sans avoi besoin d'un pont auxiliaie et donc sans encombement. III.4.4. Desciption de l'ensemble edesseu-onduleu de tension-machine asynchone La figue (V-) illuste le schéma de pincipe de l'association, elle est constituée d'un : Redesseu monophasé ; Onduleu de tension tiphasé ; Une machine asynchone tiphasée. L R i i s i d ~ i c v u e Redesseu V c C Onduleu de tension MAS Fig.III.60: Schéma de pincipe de l'association edesseu-onduleu-mas III.4.5. Modélisation du edesseu AC/DC L'étude détaillée de ce edesseu a été faite au chapite I, on se limite à appele les équations de ses gandeus d'entée et de sotie qui sont : L di + R i + u e dt i = U i s u e = Uvc dv c is ic = dt C, = V (III-3) U est la fonction logique du edesseu, elle pend les valeus {, 0, -} Le edesseu est commandé pa la MLI selon : La statégie tiangulo-sinusoïdale unipolaie et bipolaie III.4.6. Modélisation de l'onduleu de tension L'onduleu tiphasé employé pemet d'obteni à pati d'une tension constante à son entée des tensions sous fomes de peigne d'amplitude et de féquence vaiables. Le schéma détaillé de cet onduleu est donné à la figue (II-6). 34

135 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation Chaque bas de l'onduleu est constitué de deux inteupteus T i et T' i (i=,, 3) commandés à l'ouvetue et à la femetue. Les inteupteus T i, et T' i sont des semi-conducteus (tansistos) shuntés en antipaallèle pa des diodes de oue libe D i, et D i ', et commandés en modulation de lageu d'impulsions selon la statégie tiangulo-sinusoïdale. i d T D T D T 3 D 3 i v c u u 3 u 3 T' D' T' D' T' 3 D' 3 Fig.III.6: L'onduleu de tension Nous supposons que la commutation des éléments semi-conducteus est instantanée (composants pafaits). Ainsi à chaque bas de l'onduleu, on associe une fonction logique de connexion S i définie comme suit [GRO 9] : S i = si T i est femé, T' i est ouvet S i = 0 si T i est ouvet, T' i est femé Cette fonction est obtenue à pati du modèle mathématique basé su la compaaison de deux signaux, l'un tiangulaie (poteuse), l'aute sinusoïdal (modulante). La poteuse est définie pa l'équation : v p0 4t Tp0 = 4t + Tp0 ( 4n + ) ( 4n + 3) si ntp0 t n + T p 0 n + T t n + si p0 ( ) T p 0 (III-33) n est un nombe entie non nul et T p 0 = m0 f Les modulantes e i (i=-3) sont données pa l'équation suivante : e = 0 sin ωt ( i ) 3 π (III-34) 35

136 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation Ainsi, les fonctions logiques l'expession S i définies ci-dessus peuvent ête données pa l expession : S i si ei v = 0 si non p0 (III-35) Les inteupteus de chaque bas de l'onduleu sont complémentaies, si l'un est femé l'aute est ouvet. Ceci nous pemet de modélise chaque bas de l'onduleu pa un seul inteupteu à deux niveaux. Le niveau haut coespond à la tension v c, le niveau bas coespond à la tension zéo (figue V-3). i d T D v c 0 T' D' Fig.III.6 : Modélisation d'un bas de l'onduleu La figue III-63 monte la fome d'onde de la poteuse et des modulantes, ainsi que les fonctions logiques S i, coespondant à chaque bas de l'onduleu et cela pou un indice de modulation m 0, = 0 et un appot en tension o = 0,8. Les tensions de ligne aiguillées pa l'onduleu se déduisent immédiatement en fonction de la tension v c, et les fonctions logiques S i. u u u 3 3 = v = v = v 3 v v 3 v = v = v = v c c c ( S S ) ( S S3 ) ( S S ) 3 (III-36) 36

137 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation 37 Vu la symétie de la machine et le couplage en étoile de ses enoulements statoiques, on a : (III-37) Fig.III.63 : La statégie tiangulo-sinusoïdale appliquée à l'onduleu En se basant su les équations (III-36) et (III-37), on peut déduie les tensions simples v,v et v 3 pa : = 3 3 v c v v v (III-38) Le couant à l'entée de l'onduleu est donné pa : i i i d i i S = = 3 (III-39) 0 v 3 i i = =

138 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation III.4.7. Modélisation de la machine asynchone La machine asynchone dont nous étudieons la mise en équations est de natue tiphasée. Les amatues magnétiques du stato et du oto sont sépaées pa un entefe constant et munies chacune d un enoulement tiphasé. Elle coespond à la stuctue de pincipe epésentée pa la figue III-64 dans un plan pependiculaie à l axe de otation. b s b c a s 0 θ a c s Fig.III.64 : Repésentation schématique d une machine asynchone tiphasée Hypothèses simplificatices : - La machine asynchone est supposée symétique et le cicuit magnétique non satué, ce qui pemet d avoi des elations linaies ente les flux et les couants ; - La F.M.M dans l entefe est sinusoïdale (sans hamoniques d espace) ; 3- Les petes fe et l effet de peau sont négligés. III Tansfomation de Pak appliquée à la machine asynchone tiphasée En appliquant la tansfomée de Pak, la machine asynchone tiphasée est modélisée pa un système de deux enoulements biphasés : un pou le stato, l'aute pou le oto. Pou obteni un système d'équations à coefficients constants, on tansfome les enoulements statoiques et otoiques en enoulements othogonaux équivalents. Les enoulements statoiques a s, b s, c s sont emplacés pa tois enoulements équivalents d s, q s, o s et les enoulements otoiques a, b, c pa d, q et o (figue III-65 ). 38

139 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation q b s d b c θ s a s θ θ a c s Fig.III.65: Tansfomation des enoulements éels en enoulements équivalents. III Tansfomation des gandeus statoiques et otoiques La matice de tansfomation qui amène des gandeus tiphasées à des gandeus diphasées dans un epèe abitaie est : [ X ] = P( θ )[. ] dqo X abc (III-40) Cette matice de tansfomation ne conseve pas les amplitudes des couants et des tensions, mais assue l invaiance de la puissance instantanée. Elle est donnée pa : p ( θ ) = π 4π cos θ cos θ cos θ 3 3 π 4π sin θ sin θ sin θ (III-4) Où θ : epésente l'angle de tansfomation. Il dépend du epèe choisi ainsi que des gandeus statoiques ou otoiques. Le facteu est choisi de façon à conseve la puissance électique instantanée p(t) ente 3 les modèles tiphasés et biphasés équivalents. Dans le cas où le système tiphasé, des systèmes d équations (III-40), est équilibé on obtient alos, apès tansfomations le système (III-4) suivant : Xds Xqs = cos θ 3 sin θ π cos θ 3 π sin θ 3 4π cos θ 3 Xas Xbs 4π sin θ Xcs 3 (III-4) 39

140 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation Où la vaiable ( X ) peut ête une tension, un couant ou un flux et (θ) peut ête soit (θ) pou les gandeus otoiques, soit (θs) pou les gandeus statoiques. III Modèle de Pak de la machine asynchone Les tensions tiphasées statoiques [Vs], les couants statoiques [i s ] et otoiques [i ] sont eliés aux flux magnétiques totaux [Ø s ] et [Ø ] pa les équations difféentielles suivantes : au stato : d [ Vs ] = [ Rs ][. is ] + [ φs ] (III-43) dt au oto ( avec enoulement en cout-cicuit ) [V ] =[0]. [ V ] = [ R ][. i ] + [ φ ] d dt (III-44) Les flux magnétiques sont donnés pa les équations suivantes: au stato : [ φ ] = [ L ][. i ] + [ M ][. i ] s s s s (III-45) au oto : [ φ ] = [ L ][. i ] + [ M ][. i ] s s (III-46) III Équations électiques Les équations électiques de la machine asynchone dans le epèe (d, q) sont : V V ds qs = R. I s = R. I s ds qs d + φds ωsφqs dt d + φqs + ωsφds dt (III-47) V V ω s : Pulsation des gandeus électiques statoiques. ω : Pulsation des gandeus électiques otoiques. d q = 0 = R = 0 = R. I. I d q d + φ dt d + φ dt d q ω φ + ω φ q d (III-48) 40

141 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation III Equations magnétiques Les équations magnétiques de la machine asynchone dans le epèe (d, q) sont : φ φ ds d φ φ qs q = L.I s = L.I = L.I = L.I ds d qs q + L + L m m m m.i.i + L.I + L.I d ds q qs (III-49) (III-50) III Equation mécanique L'équation mécanique de la machine s'écit d'une manièe généale comme suit : K f p ω =.ω +.( Γe Γ ) J J Le couple électomagnétique est donné pa l'équation suivante: Γ = p. e L = p L = P.L m ( φds.iqs φqs. Ids ) ( φ.i φ. I ) m d qs q ds ( I.I I. I ) d qs q ds En égime pemanent, l'équation du couple électomagnétique devient : L m ωs ω Γ e = P φs L L R + ( ) σ ωs ω R (III-5) (III-5) L m ωs Γ e = P φs L L R + ( ) σ ωs R Le teme ( ω = ω ω ) M s s s epésente en égime pemanent, la pulsation de glissement. σ = : Coefficient de dispesion. Ls L Cette équation monte claiement que losque le module du flux est constant, le couple ne dépend que de ω s, La valeu du couple est fixée paω s, et pa le module du flux. 4

142 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation En fonctionnant à flux nominal ( φ s = φ sn ), si le glissement est suffisamment faible, l'équation (V-) devient: Γ e = α φ. sn. ωs (III-53) Cette expession monte qu'en égime pemanent, le couple électomagnétique ne dépend que de la pulsation des couants otoiques, si on maintient le flux constant (égal au flux nominalφ sn ).Condition pimodiale dans toutes les commandes en couple III Equations d'état de la machine alimentée en tension Considéons les flux statoiques, les couants statoiques et la vitesse mécanique φ,φ, i, i, Ω comme vaiables d'état. Apès aangement des équations pécédentes du ( ) ds qs ds qs modèle de la machine asynchone alimentée en tension, on obtient : (X)=[A]. (X) + [B]. (U) Avec : - Le vecteu d'état X φ ds φqs = i ds iqs V ds - Le vecteu de commande U = V qs (III-54) et les matices B et A sont définies pa : 0 B = σ. L 0 s 0 0 σ. Ls (III-55) 4

143 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation = s s s s s s s s s s s s T T L T L T T L L T R R A σ ω σ ω σ ω σ ω σ σ ω ω (III-56) L équation mécanique est donnée pa la fomule suivante : (III-57) Le système peut ête epésenté pa le schéma-bloc suivant : Les autes gandeus (le flux et les couants otoiques) sont obtenues pa les fomules suivantes : (III-58) f e K dt d J Ω Γ = Γ Ω.. Modèle de la machine Asynchone tiphasée Alimentée en tension ds V qs V s ω Ω = qs ds qs ds i i φ φ Γ Fig.III.66 : Schéma-boc de la machine asynchone Alimentée en tension. = qs ds qs ds s s s s m q d q d i i L L L L L L L L L i i φ φ σ σ φ φ

144 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation v(v) 0 w(d/s) t(s) t(s) i(a) i (A) -0-0 Гe(N.m) t(s) t(s) t(s) Fig.III.67 : Association edesseu-onduleu de tension-machine asynchone Pou m 0 = 0 et 0 = 0.8 Nous avons simulé le compotement de l'association pou une machine de paamètes : Puissance nominale :.5kW, tension nominale : 0/380V, couant nominal 6.3/3.64A, vitesse nominale 40 t/mn, Pp =, Rs = 4,85 Ω, R = 3,805 Ω, L = L s = 0,74 H, L m = 0,58 H, J = 0,03 kg.m, kf = 0.08N.m.s/d. L'onduleu de tension est commandé pa la statégie tiangulo-sinusoïdale avec les paamètes : m 0 =0, o =0,8, f o =50Hz t(s) 44

145 Chapite III Modélisation Régulation Résultats de simulation Intepétation des ésultats:.la figue (III-67) epésente l'évolution de quelques vaiables fondamentales de la machine asynchone, à savoi la tension et le couant de la phase statoique, le couple et la vitesse. Los du démaage à vide, on constate d'emblée l'impotance des couants statoiques, comme on peut le constate su la figue (III-67) qui peuvent ête à l'oigine de la destuction de la machine pa échauffement en cas de épétitions excessives. Le couant de phase est sinusoïdal (plus m augmente, plus la fome de l onde du couant délié pa l onduleu se appoche de la sinusoïde). Le couple électomagnétique pésente des fluctuations en égime pemanent. Celles-ci dues aux hamoniques de la tension de sotie de l onduleu, mais plus m augmente, plus la fome de la tension délivé pa onduleu se appoche de la sinusoïde. III.5. Conclusion Ce chapite a pemis de popose une méthode unifiée pou les convetisseus commandables couant / tension, monophasés et tiphasés et une pocédue d'élaboation d'une commande d'un edesseu tiphasé à MLI. Dans un pemie temps, une modélisation du edesseu, monophasé et tiphasé a été faite. Dans un second temps, un schéma fonctionnel du edesseu a été constitué puis le pincipe de commande dans le epèe abc a été envisagé. Le type MLI et le calcul des coecteus ont été abodés. Apès avoi étudié et simulé le fonctionnement du convetisseu associé à des chages passives, nous pouvons die que : L'application d'une commande unipolaie ou bipolaie n'influe pas su l amplitude des couants et des tensions mais su leus fomes. Les fomes d'onde de ces gandeus sont affectées pa l'indice de modulation m pou la statégie tiangulo - sinusoïdale. Les modules des gandeus d'entée et de sotie du convetisseu dépendent du coefficient de églage pou la statégie tiangulo - sinusoïdale. Patiquement pou évite des suintensités au égime tansitoie, il faut pévoi un condensateu initialement chagé. La évesibilité fonctionnelle du convetisseu est assuée pa la choix d'un déphasage négatif pou la statégie tiangulo - sinusoïdale. Le filtage de la tension pa un filte passe - bas amélioe les fomes d'ondes et diminue les distosions. La égulation cascade pésente l'avantage de pouvoi décompose le système en deux boucles, l'une intene pou égule les couants éseaux, l'aute extene pou mainteni la tension continue; Le maintien d'une dynamique plus lente sû la boucle extene pemet d'obteni le fonctionnement classique de la boucle cascade. Le couant i suit la éféence ainsi que pou la tension aux bones de la capacité V c. L'étude faite su l'association nous a pemis de voi son compotement vis à vis de la statégie de modulation. Pou la statégie tiangulo-sinusoïdale, la machine pésente un fonctionnement stable avec une éponse apide. Les ésultats satisfaisants obtenus montent que le edesseu emplace avec succès les edesseus classiques, gâce aux pefomances qu'il pésente (facteu de puissance unitaie et éduction de contenu hamonique et évesibilité fonctionnelle). 45

146 Chapite IV Réalisation patique et ésultats expéimentaux 48

147 Plan du chapite IV IV-. Intoduction.. 50 IV.. Desciption de la cate DSP TMS30LF IV... Caactéistiques pincipales dutms30lf IV... Achitectue du TMS30LF407 5 IV.3. Desciption du banc expéimental.. 53 IV.3.. Le convetisseu de puissance. 53 IV.3... cate de puissance (Cicuit de potection conte les sutensions) 53 IV.3... Commande appochée du convetisseu. 54 IV.3.. La cate des capteus 54 IV.3.3. Cate d'inteface 55 IV.4. Mise en œuve du pogamme de commande 55 IV.5. Banc d essai 57 IV.6. Résultats expéimentaux IV.7. Réalisation patique tiphasé avec la solution Dspace de type IV.7.. Patie puissance. 60 IV.7.. Patie commande appochée. 6 IV.7.3. Mesue et captue. 6 IV.7.4. Patie commande 6 IV.8. Expéimentation IV.9. Conclusion

148 Chapite IV Réalisation patique et ésultats expéimentaux IV.. Intoduction Afin de valide expéimentalement les algoithmes de commande testés pa simulation numéique dans le chapite pécédent, nous les implémentons su un pocesseu de signal DSP. Les mêmes algoithmes de commande sont également implémentés su le kit de développement Dspace03. Nous décivons dans un pemie temps d une manièe généale la cate DSP utilisée puis nous pésentons le dispositif expéimental mis au point et ses pincipales caactéistiques. Dans la seconde patie nous pésenteons le dispositif expéimental mis au point et ses pincipaux constituants ; à savoi : -le cicuit de puissance muni de sa potection, -la cate de commande appochée, -les cates capteus et leus conditionnements. Apès desciption de la patie matéielle (Hadwae), nous passeons à la patie «logiciel» (softwae) en expliquant le mode d'implémentation numéique des algoithmes de commande. Nous pésenteons et analyseons les ésultats expéimentaux obtenus, ceci-nous pemetta de valide d abod les lois de commande puis les modèles théoiques développés. IV.. Desciption de la cate DSP TMS30LF407 La DSP TMS30LF407 est pami les nouvelles généations de DSP 3 bits à vigule fixe. Elle est conçue autou d'une achitectue type Havad. Cette stuctue se distingue de l'achitectue Von Neumann pa le fait que la mémoie pogamme et la mémoie donnée sont sépaées. L'accès à chacune des deux mémoies se fait via un chemin distinct. Cette oganisation pemet de tansfée une instuction et des données simultanément, ce qui amélioe les pefomances. La TMS30LF407 utilise une achitectue type Havad avancé qui maximise la puissance de calcul en maintenant deux bus mémoie (pogammes et données) pou une exécution à pleine vitesse. Cette stuctue de bus multiple pemet la lectue des données et instuction simultanément. Cette achitectue couplée à une stuctue pipeline pemet au LF407A d'exécute la plupat des instuctions en un cycle. Le micopocesseu LF407 est le maiage d'une DSP avec ses péiphéiques et d'un micocontôleu d'une capacité de 40 MIPS (millions instuctions pa seconde), il possède 3 kmots de mémoie pogamme en mémoie flash qui peuvent stocke le code de l'application [GUE 03]. 50

149 Chapite IV Réalisation patique et ésultats expéimentaux IV... Caactéistiques pincipales dutms30lf407 Nous énuméons bièvement dans ce paagaphe les caactéistiques qui nous semblent intéessantes a connaîte afin de pouvoi compende le fonctionnement et la pogammation de ce pocesseu : )- un temps minimum d'un cycle d'instuction est 5ns. De plus, comme de nombeuses instuctions se font en un seul cycle, la TMS30LF407 est capable d'effectue envion 40MIPS )- une plage de 9Kmots de 6 bits de mémoie adessable. 3)- instuctions et données codées su 6 bits. 4)- unité aithmétique et logique (ALU), avec un accumulateu de 3bits (opéations éalisées en complément à deux) 5)- huit egistes auxiliaies et une unité aithmétique associée pou l'adessage indiect (ARAU). 6)- une pile matéielle à huit niveaux. 7)- multiplication avec accumulation de deux mots de 6bits signés effectuée en un cycle (éalisée gâce à un multiplicateu intégé dans l'alu). Le ésultat est donné dans un egiste de poduit de 3bits. 8)- la possibilité de génée jusqu'à 4 cycles d'attentes logicielles dans les espaces mémoie de pogamme, donnée ou entées/soties. 9)- technologie CMOS puce de 44 pins. Le TMS30LF407 possède, en plus d'autes caactéistiques matéielles intenes telles qu'un manage d'événement (event manage) qui intège plusieus fonctions, la possibilité de faie des tansfets de blocs de données ou encoe la généation des états d'attentes pou communique avec les péiphéiques extenes lents [TZU09]. IV... Achitectue du TMS30LF407 La TMS30LF407 pésente une achitectue intene de type " Havad " Il est constuit intéieuement autou de tois bus majeus: le bus de données, le bus de pogamme et celui de contôle (achitectue multi-bus). Du coté extene, l'achitectue est semi Havad ; les espaces mémoies pogamme et donnée sont multiplexés à taves un seul bus, ceci a pemis de éduie considéablement le nombe de boches su le cicuit tout en laissant l'option Havad intene. Le LF407 est constitué de 4 unités fonctionnelles pincipales : - Le CPU. - La mémoie intene. - La mémoie extene. - Les péiphéiques. 5

150 Chapite IV Réalisation patique et ésultats expéimentaux Le schéma fonctionnel de la Figue ( IV-): monte une desciption des éléments du DSP 5

151 Chapite IV Réalisation patique et ésultats expéimentaux IV.3. Desciption du banc expéimental Le banc expéimental est constitué des éléments suivants: Convetisseu de puissance. Commande appochée. Une cate des capteus. Une cate inteface de conditionnement. La cate DSP TMS30LF407. IV.3.. Le convetisseu de puissance IV.3... Cate de puissance (Cicuit de potection conte les sutensions) Le cicuit de puissance contient quate IGBTs montés en pont. L'utilisation de tels composants apides dans ce convetisseu intoduit des sutensions qui sont dues à la pésence inévitable d'inductances paasites. Il s'en suit des isques de destuction des composants. Ses sutensions appaaissent ente le collecteu et l'émetteu los de l'ouvetue des tansistos, ceci peut conduie à la détéioation de celui-ci pa claquage. Pou emédie ce isque, chaque IGBT est potégé pa son pope éseau RCD (figue IV-). Ce cicuit epésente un dispositif écêteu aux bones de chaque tansisto pou atténue et amoti ces sutensions, et pa conséquent veille à ce que la tension collecteu-émetteu V ce este toujous inféieue à la tension limite de claquage des composants. Dl Rc Lc Dc U Cc Fig.IV. : Cicuit RCD de potection 53

152 Chapite IV Réalisation patique et ésultats expéimentaux IV.3... Commande appochée du convetisseu Les signaux de commande poviennent des soties numéiques du module DSP TMS30LF407, ce sont des signaux logiques de 0 à 3,33V et leu faible niveau de couant n'est pas suffisant à amoce les IGBTs, de plus il faut isole la faible tension de la gille haute tension appliquée au collecteu. Donc le conditionnement de ces signaux est indispensable. Généalement, le cicuit de conditionnement de ces signaux compend tois étages (voi Annexes): Un étage à tansistos sevant à la mise en fome des signaux de commande et l élimination de la patie négative si elle existe. Un étage à opto-coupleu éalisant l'isolation galvanique ente les deux côtés de la patie électonique (patie puissance, patie commande). Un étage contenant le dive IR0 pilotant les IGBTs. IV.3.. La cate des capteus La commande en temps éel du edesseu exige une suveillance pemanente des difféentes gandeus influant su le fonctionnement du système, aussi la apidité de la égulation de couant et de tension dépend diectement de la capacité à suive et à détecte tous changement des gandeus de églage, même elativement faibles. Note système a besoin de tois gandeus : Un couant de ligne côté éseau. Une tension de éseau. La tension aux bones du condensateu. A fin de paveni à suveille ces couants et ces tensions, nous avons utilisé des capteus LEM à effet HALL: le capteu de tension LV5P, et le capteu de couant LA55P. Ces capteus peuvent epoduie avec une pécision les couants et les tensions; la plage de mesue de ces capteus va jusqu' à 70A et 500V espectivement. Ces capteus tansfoment les gandeus qu'ils captent, en un faible couant, qui nécessite une amplification et un conditionnement avant d'ête appliqué au module ADC du DSP [WAN06]. 54

153 Chapite IV Réalisation patique et ésultats expéimentaux IV.3.3. Cate d'inteface Le convetisseu analogique numéique ADC ne peut conveti que des signaux positifs compis ente 0 et 3.33V, alos que les gandeus mesuées (couants ou tensions) à la sotie du capteu sont compises ente -0V et +0V, c'est pou cette aison qu une cate d'inteface est nécessaie. La cate d'inteface a pou ôles : d'adapte et de tansfome le signal capté en un signal positif ente 0 et 3.3V pou que l ADC puisse l'acquéi. de filte le signal capté. Les étapes de mise en fome et de filtage sont epésentées su la figue(iv.3) : Capteu De type LEM Filte Gain /6 Tension de Réféence (,67V) Ves Convetisseu A/D volt 0V s max -0V max,67 V max -,67V max volt s 3,33V,67V volt s 0V Fig. IV.3: Les difféentes étapes de conditionnement des signaux IV.4. MISE EN ŒUVRE DU PROGRAMME DE COMMANDE Le pogamme de commande est basé su deux modules: le module d'initialisation et le module d'inteuption. Le pemie est exécuté une seule fois au début de pogamme, le deuxième est une boucle d'attente des inteuptions pou la commande en temps éel. L'exécution immédiate du module d'inteuption est pise en chage los de l'aivée de l'inteuption. 55

154 Chapite IV Réalisation patique et ésultats expéimentaux Le schéma de la figue (IV.4) epésente l algoithme généal du pogamme qui compote plusieus blocs : Initialisation du D.S.P Acquisition de difféents signaux Difféents étapes de calcul L oganisation du pogamme est pésentée comme suit: Début Initialisation de la cate DSP Initialisation des paamètes de pogamme DSP Boucle d attente PWM ISR Fig. IV-4: Oganisation généale du pogamme La boucle d'attente est inteompue pa l'inteuption PWM undeflow (inteuption généée à la fin du comptage et décomptage du egiste de la péiode du Timel). Losque le dapeau d'inteuption est placé, la outine d'inteuption (ISR) est exécutée. La duée d'exécution de l'algoithme complet de la égulation cascade du edesseu est synchonisée à la péiode de PWM. Dans la figue (IV-5), à la péiode d'échantillonnage (T=0µs) peut ête établie en plaçant la péiode TPER de Timel à 400 (PWMPRD=400). Ce Time est configué en mode de comptage coissant/décoissant et génèe une inteuption PWM undeflow. 56

155 Chapite IV Réalisation patique et ésultats expéimentaux TCNT La péiode d échantillonnage T=0µs=PWMPRD PWM undeflow inteupt Début de pogamme Initialisation PWMPRD =400*5ns=60µs τ algoithme τ algoithme Fig.IV.5: Diagamme tempoel d'exécution du pogamme IV.5. Banc d essai La figue (IV-6) epésente le schéma d implantation et la mise en œuve du DSP. La mesue et le conditionnement des difféentes gandeus du pilotage des inteupteus du edesseu à MLI sont effectués pa deux cates spécialisées déjà pésentées (La cate DSP et la cate commande appochée). La pogammation du DSP s appuie su le logiciel développé pa Texas Instuments «Code Compose» l algoithme de commande est écit en langage «Assemble» dédié afin d optimise l ensemble des tâches de fonctionnement et de communication DSP/Convetisseu/Chage. 57

156 Chapite IV Réalisation patique et ésultats expéimentaux Fig. IV-6: Schéma symptomatique du banc d essai expéimental [DEN]. Fig. IV-6.a: le banc expéimental. 58

157 Chapite IV Réalisation patique et ésultats expéimentaux IV.6. Résultats expéimentaux Les essais expéimentaux sont éalisés au laboatoie LATAGE du dépatement d électotechnique, suivant les étapes déjà pésentées dans ce chapite. Les paamètes du cicuit électique et de commande sont donnés pa le tableau 4-. Tension de ligne Inductance ligne Résistance de ligne Capacité de filtage Chage ésistive Temps d échantillonnage 50 V 0,04 H 5 Ω 4,7mF 80 Ω 0 ms Tableau IV. : paamètes banc expéimental Dans un pemie temps, les tests expéimentaux sont obtenus avec une chage inductive. v i 3 a Le couant i (4A/div) et la tension v (30V/div) i u e b- La tension u e ( 30V/div) et le couant i (.5A/div) 59

158 Chapite IV Réalisation patique et ésultats expéimentaux U (5V/div) c- Les signaux de soties de commande bipolaie du DSP à 50 Hz U (0V/div) d- Les signaux de soties de commande unipolaie du DSP à 50 Hz Fig. IV.7 (a, b, c, d) : Résultats expéimentaux sous un facteu de puissance unitaie La figue (IV-7) monte les difféentes fomes d ondes d un edesseu à MLI à facteu de puissance unitaie contôlé pa la SPWM. Dans le pemie oscillogamme (a) le couant et la tension sont en phase ce qui explique que le edesseu fonctionne à facteu de puissance unitaie. IV.7. Réalisation patique tiphasé avec la solution Dspace de type 03 IV.7.. Patie puissance La patie puissance est éalisée, en stuctue de pont figue (IV.8). Les inteupteus utilisés sont des IGBT type IRGPC40UD, et étant donné que le couant peut ête déphasé su la tension, on pévoit des diodes de etou qui pemet l échange d énegie éactive avec la souce continue. Pou emédie à ce isque, chaque IGBT est potégé pa son pope éseau RCD "Résistance Capacité Diode". 60

159 Chapite IV Réalisation patique et ésultats expéimentaux IV.7.. Patie Commande appoché Fig. IV.8 : edesseu tiphasé su chage ésistive Les fonctions de potection sont centalisées de façon à ne pas les duplique au niveau de chaque composant de puissance. De même, l'action de potection choisie est globale, entaînant, pa exemple, l'aêt complet du convetisseu los d un défaut. Pou assue un suivi plus fidèle et plus pesonnalisé de chacun des composants, des capteus individuels sont affectés à la suveillance de chaque composant et leus infomations tansmises au cicuit de commande ; dans note cas on a utilisé le dive IR30. L isolement galvanique est éalisé pa des optocoupleus de type HP30 IV.7.3. Patie mesue et captue Nous avons besoin de deux infomations : le couant et la tension. Ces infomations seont egoupées su deux cates capteus, qui sont éalisées avec deux types de capteus à effet hall: des capteus de couant type LEM LA55-P et des capteus de tension LV5-P. Fig. IV.9 : Photo du banc d essai (Laboatoie LATAGE-univesité-Tizi-Ouzou) 6

160 Chapite IV Réalisation patique et ésultats expéimentaux IV.7.4. Patie commande La commande est éalisée en temps éel qui est, aujoud'hui, une technique lagement utilisée pa les secteus de l'industie de haute technologie. Le contôle en temps éel pemet de faie le pototypage apide des systèmes de contôle de façon économique, sécuitaie et apide. Cette technique est un outil d'analyse puissant, pemettant de pévoi le compotement d'un système sous l'action d'un événement paticulie et de voi son évolution dans le temps éel. Cette méthode de conception pemet de décele les poblèmes potentiels du système, de éduie le facteu d'eeu humaine et les isques d'inteuption du système. Le compotement de ce type de convetisseu est non linéaie, pou l'implémentation on a pis la solution Dspace de type03. IV.8. EXPERIMENTATION Afin de valide les algoithmes de commande développés et teste le bon fonctionnement du edesseu ealisé, des essais expéimentaux ont été menés. Nous pésentons les coubes d évolution des couants et tensions du éseau pou un fonctionnement du edesseu à MLI à facteu de puissance unitaie. Nous pésenteons également l allue de la tension composée à l entée du edesseu. a- Paamètes utilisés : Les paamètes expéimentaux utilisés sont : Amplitude de la tension éseau 0V La éféence de la tension aux bones de la capacité 300V Inductance totale coté éseau 6mH Capacité coté continu 4.7mF Chage coté continu 00 Ω La péiode d échantillonnage 00 us La ésistance totale côté éseau 0.5 Ω b- Mache en pont de diodes : Fig. IV.0 : Le couant de phase i (6A/div) et la tension V pou un pont de diode 6

161 Chapite IV Réalisation patique et ésultats expéimentaux c- Mache en edesseu MLI CH 0V Fig. IV. : le couant côté éseau i (6A/div) et la tension éseau v pou φ=0 Fig.IV. : les couants de phase i,,3 (3.7A/div) du edesseu à MLI 63

162 Chapite IV Réalisation patique et ésultats expéimentaux Fig.IV.3 : l allue de la tension composée u e (30Vx0) à l entée du edesseu Intepétation des ésultats La figue(iv.0) monte le couant d entée de note edesseu quand il fonctionne en pont de diodes.cette fome de couant typique est bien connu aux ponts de diodes (voi figue I. du chapite I), elle est paticulièement iche en hamoniques. Comme pévu, le couants d entée de la figue (IV.) de note convetisseu fonctionnant en edesseu MLI pésente moins d hamoniques (poche de la fome sinusoïdale).cette figue monte également que note edesseu fonctionne à facteu de puissance unitaie. La figue(iv.) monte que les tois couants d entée de note convetisseu sont bien tiphasés et équilibés. La tension composée à l entée de edesseu montée à la figue (VI.3) est elle aussi typique au fonctionnement en modulation de lageus d impulsions. CONCLUSION: CH 30V Dans ce chapite, nous avons pésenté d'une façon généale une desciption du DSP (TMS30LF407) et la Dspace 03 utilisées dans note application, ainsi que les difféentes cates éalisées, et nous avons taité d'une façon détaillée l'implantation de l'algoithme de commande SPWM du edesseu à MLI (monophasé et tiphasé espectivement). Les ésultats obtenus expéimentalement sont confomes aux objectifs fixés pa la théoie, à savoi : obteni un couant d entée poche de la fome sinusoïdale. Obteni un fonctionnement à facteu de puissance unitaie. Les deux ésultats pemettent de valide les algoithmes de commande developpés, et une apide compaaison des ésultats de simulation du chapite pécédent pemet également de valide les modèles théoiques constuits. 64

163 Conclusion généale 65

164 Conclusion généale Dans ce tavail nous nous sommes attachés à étudie et à éalise un convetisseu AC/DC commandé en Modulation de Lageu d Impulsions pa une cate DSP 30LF407. Nous avons dans un pemie temps effectué une étude bibliogaphique concenant les petubations hamoniques dans les éseaux électiques et les emèdes qui y sont appotés. Une attention paticulièe a été ésevée aux solutions modenes notamment les edesseus commandés pa modulation de lageu d impulsions. Le système que nous avons étudié s inscit pami les solutions modenes de non pollution et en même temps de dépollution des éseaux électiques. Nous avons jugé nécessaie de taite au sein d un second chapite, de l étude analytique et de la caactéisation du fonctionnement en chage du edesseu à MLI monophasé et tiphasé. Cette étude nous a pemis de situe les limites de stabilité et de détemine les lois de commande de note convetisseu. Le taitement détaillé de la commutation nous a également pemis de dégage les elations pemettant de dimensionne coectement les dispositifs de potection (cicuit snubbe). Le toisième chapite a été consacé à la modélisation et à l étude pa simulation numéique du edesseu (monophasé et tiphasé) associé à une vaiété de chages. Les tests pa simulation su des chages vaiables ont monté la nécessité de dispose de boucles de égulation de la tension de sotie et des couants d entée. Nous avons donc commencé pa la synthèse des égulateus de la tension de sotie et des couants d entée. Nous avons utilisé le pincipe de la égulation en cascade, vu la difféence des dynamiques de la tension de sotie et des couants d entée. Nous avons pa la même occasion monté les possibilités de ce convetisseu de compense en même temps la puissance éactive. Les études bibliogaphiques montent que ce convetisseu peut également joue le ôle de filte actif. Les tests pa simulation ont monté que ce convetisseu, moyennant une commande MLI appopiée, possède des qualités pometteuses, à savoi : - absoption de couants de fomes poches des sinusoïdes, - tension de sotie constante, - fonctionnement à facteu de puissance unitaie, - possibilités de tansfet bidiectionnel de puissance, ce qui ouve la voie à son utilisation dans un système à écupéation d énegie. Ces qualités font de ce convetisseu, un système d alimentation tès echeché dans le domaine de la convesion d énegie. La éalisation expéimentale de ce type de convetisseus ouve la voie à la confection de plusieus bancs d essais notamment la commande des machines électiques. Le quatième chapite a été donc une suite logique du chapite pécédent, puisque l implémentation expéimentale des algoithmes de commande pemet de valide les modèles théoiques développés. 66

165 Nous nous sommes attelés dans ce chapite à pésente l intégalité du dispositif expéimental éalisé, à savoi : - l achitectue de la cate DSP TMS 30LF407, - les cates d acquisitions (capteus de couant et de tension à effet hall), - les cates d inteface et de conditionnement, - le mode de mise en œuve du pogamme. - Les ésultats expéimentaux pésentés ont concené les signaux délivés pa les cates de commande, la tension et le couant d entée du edesseu. Ces ésultats ont monté les possibilités d agi su le contenu hamonique du couant d entée et su le facteu de puissance. Les pespectives sont nombeuses et vaiées et nous citeons à tite d exemple : - La éalisation du edesseu tiphasé à MLI et exploe d autes techniques de commande. - La éalisation du edesseu multi niveau tiphasé à MLI et exploe d autes techniques de commande. - La éalisation d un convetisseu statique à étage intemédiaie (edesseu à MLI - étage à couant continu - onduleu à MLI) pou le pilotage d une MADA à utilise dans un système de convesion de l énegie éolienne. - La éalisation d un edesseu tiphasé à MLI fonctionnant pouvant teni compte des égimes déséquilibés. - Utilisation du edesseu à MLI en tant que filte actif. 67

166 Annexes. m Annexes 68

167 Annexes. A.. Modèle de simulation Le model de simulation de l algoithme du convetisseu a été éalisé su Matlab et il est schématisé pa la fig.a.. Fig.A. : Model de simulation du convetisseu AC/DC tiphasé A.. Réalisation patique Fig.A... Cicuit impimé de la commande appochée coté composants 69

168 Annexes. Fig.A... Cicuit impimé de la commande appochée coté cuive ENTREE O P T O C O P L E U R I N V E R S E U R D R I V E R I G B T IN IN IN3 G E G E G3 E3 G G G3 M Fig.A..3. Montage su boitie de la commande appochée 70