Généralités sur le filtrage actif

II.3.3.1. Introduction

La majeure partie des applications du filtrage actif sont centrées sur la dépollution du réseau et permettent de compenser les perturbations de courant provoquées par les charges, en particulier celles comprenant des convertisseurs statiques [ALA01]. Ainsi, l’ensemble constitué par la charge et son convertisseur éventuel, le filtre actif, et parfois un ou plusieurs filtres passifs se comporte comme une charge à absorption sinusoïdale de courant. Cependant, le filtrage actif apparaît également comme une solution intéressante pour corriger une source de tension imparfaite, lors de l’alimentation de charges sensibles telles que les machines tournantes. Ainsi un filtre actif pourra être utilisé de manière complémentaire aux onduleurs de tension afin de corriger les imperfections des ondes de tension qui alimentent les machines électriques.

II.3.3.2. Etat de l’art du filtrage actif pour machines tournantes

L’article [GUG91] présente un système actif de compensation de vibrations à l’aide d’actionneurs et nommé étouffeur. L’objectif de ce système est de compenser une vibration induite par un axe tournant. Le principe est d’utiliser des petits actionneurs qui entraînent des balourds en rotation comme source de vibration antagoniste. Ces actionneurs sont fixés sur la structure vibrante et pilotés en boucle fermée à l’aide des données d’accéléromètres mesurant la vibration à réduire.

Une autre méthode de compensation active, par ajout d’enroulements dans la machine, a été développée pour une machine synchrone à aimants permanents qui génère des vibrations naturelles à limiter [FAR95]. Les enroulements auxiliaires logés au stator de la machine servent à générer une force antagoniste à la force perturbatrice à l’origine de la vibration. Un accéléromètre fournit une mesure des vibrations de la machine, un filtrage adéquat de la mesure isole la raie indésirable. Les informations sur cette raie définissent alors le réglage de l’alimentation des enroulements de compensation. La fréquence du courant est donc calée de manière à interagir avec les forces créatrices de la raie d’encoche. Un intérêt primordial de cette méthode est qu’elle peut atténuer une raie vibratoire quelle que soit son origine. Cependant, la compensation n’agit que sur une raie à la fois, des travaux doivent permettre d’étendre la méthode à une plus large bande spectrale. De plus, une limitation des raies parasites additionnelles lors de l’injection de la force antagoniste est recherchée. Un autre inconvénient de cette méthode est, en raison de la nécessité d’enroulements supplémentaires, de ne pas pouvoir s’appliquer aux moteurs de conception classique [GRA99].

D’autres travaux se sont orientés vers des méthodes de réduction du bruit magnétique par filtrage actif de l’alimentation de la machine asynchrone. Ces méthodes de filtrage actif superposent au courant de commande classique un courant de compensation. Un premier moyen d’injection du courant supplémentaire à été développé pour une machine asynchrone alimentée par onduleur MLI de tension [BEL94]. La modulation sinus-triangle utilise une onde de référence constituée du sinus de commande de la machine et d’un sinus correspondant à la raie de compensation. Une fréquence de découpage nettement supérieure à celle de l’harmonique à injecter est alors nécessaire pour garantir la qualité de

la compensation. Cette méthode permet de compenser des défauts dus à la machine mais pas ceux dus aux imperfections de la commande.

Une autre solution a été développée pour une machine asynchrone directement connectée au réseau, l’ajout d’un onduleur d’alimentation n’étant pas recommandé pour ne pas détourner la machine de sa mise en service légitime. De plus, dans les domaines de forte puissance, l’ajout de semi-conducteurs peut être prohibitif en raison de leur coût et de l’abaissement du niveau de fiabilité qu’ils engendrent. L’usage d’un filtre actif permet alors l’injection du courant de compensation en conservant l’alimentation par le réseau [CAS96]. La configuration de filtrage illustrée Figure 16 est celle d’un onduleur shunt dont la puissance n’est pas liée à celle de la source, ce qui permet de contenir ses contraintes de dimensionnement. Cependant, Il faut empêcher la circulation des harmoniques de courant vers le réseau afin qu’elles atteignent le moteur. L’utilisation de circuits « bouchons » constitués d’une inductance Lb et d’un condensateur Cb apporte une solution à ce problème. La fréquence de résonance de ces circuits est accordée sur la fréquence d’injection, les harmoniques circulent alors vers le moteur. Le principal inconvénient des circuits « bouchons » est alors la faible bande de fréquence dans laquelle l’injection est efficace.

Réseau 50Hz

M

Figure 16. Méthode d’injection d’un courant harmonique. II.3.3.3. Filtrage actif large bande par porteuse

II.3.3.3.1. Introduction

L’une des principales qualités d’un filtre actif est sa facilité de raccordement et donc son aptitude à être installé sur un système préexistant. Cette considération fait partie des objectifs recherchés, ainsi qu’une certaine souplesse au niveau de son champ d’action. Les méthodes existantes précitées s’attachent principalement au comportement vibratoire ou acoustique de la machine. Les possibilités d’extension à d’autres critères de qualité du filtrage actif seront explorées. La prise en compte de critères comme la qualité du couple, les pertes ou la fiabilité de la machine serait un plus indéniable. Les performances d’un filtre actif classique à commande par porteuse triangulaire de fréquence élevée (5 kHz) sont d’abord évaluées pour compenser les défauts d’une alimentation par onduleur piloté également en MLI sinus-triangle de fréquence faible (540 Hz). Ces tests mettent en lumière différents inconvénients qui amènent à envisager l’apport des techniques de modulation optimisée.

II.3.3.3.2. Principe de base du filtrage actif pour les simulations

Le principe de base utilisé pour les simulations sur l’étude du filtrage actif consiste à améliorer l’alimentation MLI de la machine en s’approchant au plus près d’une alimentation sinusoïdale. La Figure 17 représente un signal de tension MLI sinus-triangle et son fondamental, utilisé comme référence pour le pilotage d’un onduleur de tension alimentant une machine électrique alternative.

Figure 17. Signal de tension MLI et son fondamental.

Cette tension MLI est assez éloignée de son fondamental, de nombreux harmoniques viennent enrichir son contenu spectral. Si l’on soustrait à cette tension son fondamental, il ne reste alors que le résidu harmonique. L’injection de résidu en opposition de phase permettra l’obtention d’une tension d’alimentation sinusoïdale pure et donc également un courant sinusoïdal. L’opposée de ce résidu définit donc la tension d’injection idéale illustrée Figure 18 qu’il faut reproduire au plus près. Le filtre actif utilisant un onduleur MLI à porteuse triangulaire a pour rôle d’essayer de s’en approcher.

Figure 18. Tension d’injection idéale.

L’obtention d’un signal d’injection assez proche du signal idéal risque de se faire au détriment du dimensionnement du filtre. En effet, le signal idéal est caractérisé par de fortes dynamiques impliquant une fréquence de découpage très supérieure au contenu harmonique du signal à reconstituer. De plus, les niveaux de tension de l’onduleur de filtrage devront être suffisamment élevés pour respecter les amplitudes du signal d’injection.

II.3.3.3.3. Simulations sans filtrage actif

La fréquence de découpage de l’alimentation MLI correspond à une application de forte puissance, et vaut 540Hz dans l’application prise pour exemple. Dans ces conditions, l’allure du courant est relativement perturbée et les pics de courant sont importants. Focalisons notre attention sur le spectre du courant représenté Figure 19 qui permettra la comparaison des performances sans et avec filtrage actif.

Figure 19. Spectre du courant de phase sans filtrage actif. Fréquence (Hz) C o u ra n t ( A ) 0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0

II.3.3.3.4. Simulations avec filtrage actif

Le principe de simulation du filtrage actif représenté Figure 20, consiste à ajouter en série avec l’alimentation de la machine par onduleur, une tension d’injection.

V an V filt Tension phase-neutre d’une machine triphasée Schéma équivalent d’une phase de la machine Tension d’injection M

Figure 20. Schéma de principe des simulations du filtrage actif.

La tension d’injection est elle-même reconstituée à l’aide d’un onduleur à deux niveaux de tension commandé en modulation de largeur d’impulsions à porteuse triangulaire de fréquence 5 kHz.

L’analyse harmonique confirme que le résidu spectral du courant dans la machine est nettement réduit comme l’indique la Figure 21a dans le cas où on utilise un filtre actif alimenté par une tension continu d’entrée de 400V.

Figure 21. Spectre du courant de phase après filtrage actif. (a). Fd=5kHz , Vinj= ±200V. (b). Fd=5kHz, Vinj= ±100V

0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 Fréquence (Hz) C o u ra n t (A ) (a) 0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 C o u ra n t (A ) Fréquence (Hz) (b)

La majorité des raies a été compensée, hormis les deux plus grandes qui ont tout de même une amplitude divisée par un facteur proche de trois. Cependant, ce résultat est obtenu pour une grande fréquence de découpage et donc une bande passante élevée du filtre actif, et une relativement forte tension d’injection. La tension d’injection, en s’ajoutant à la tension de l’onduleur d’alimentation, va accroître l’amplitude des tensions aux bornes des enroulements de la machine. Or, cette amplitude ne doit pas trop augmenter afin de ne pas détériorer l’isolant des enroulements. Des simulations complémentaires sont réalisées en diminuant la tension d’alimentation continue du filtre actif afin de réduire les sollicitations des enroulements, ce qui permet également de réduire le coût du filtre actif, son dimensionnement s’en trouvant facilité. On peut alors observer qu’une diminution significative en tension détériore aussitôt la qualité du filtrage comme l’illustre la Figure 21b. Le spectre de courant obtenu avec seulement la moitié de la tension continu tout en gardant la même fréquence porteuse que précédemment révèle sans surprise une action moins efficace du filtre actif. La même constatation peut être réalisée lorsque la fréquence porteuse de la modulation du filtre actif est réduite.

Des résultats probants sont obtenus par ce type de filtrage actif mais les valeurs de tension et fréquence nécessaires sont un handicap pour le dimensionnement du filtre et le respect des contraintes sur les niveaux de tension appliqués aux enroulements de la machine.

Les techniques de modulation optimisée permettant de contrôler les propriétés harmoniques des tensions à partir d’une faible fréquence de commutation sont donc exploitées pour obtenir un filtrage actif efficace tout en réduisant les contraintes inhérentes aux filtres actifs pilotés en modulation de largeur d’impulsion conventionnelles à porteuse triangulaire.