Techniques de commande de l’onduleur de tension

(2.38) La charge constituée par la machine est équilibrée ( ), on aura donc:

(2.39) En faisant apparaître le point "o", les tensions entre phases peuvent aussi s'écrire:

(2.40) En remplaçant (2.40) dans (2.39) on obtient :

(2.41) À partir des relations suivantes:

(2.42)

On peut déduire le potentiel entre les points n et o : (2.43)

L’utilisation de l’expression (2.38) permet d’établir les équations instantanées des tensions simples en fonction des grandeurs de commande :

(2.44)

2.4 Techniques de commande de l’onduleur de tension

Pour la commande de machines à courant alternatif, le contrôle par les techniques de modulation de la largeur d’impulsion (MLI) ou (pulse width modulation, PWM) est souvent

34 associé à la régulation des courants statoriques, parce que le courant se relie directement au développement du couple de la machine [134].

Les techniques PWM ont été l'objet de recherches intensives, un nombre important de méthodes, différentes par leurs concepts et leurs performances ont été développées. Le choix d'une technique dépend de la gamme de puissance, des semi-conducteurs utilisés pour l'onduleur et de la simplicité d'implantation de l'algorithme. Ce sont finalement des critères de coût et de performance qui vont déterminer ce choix. Les critères de performances permettent d'évaluer et de comparer les qualités des différentes techniques PWM. Ils se résument en: l'index de modulation, le facteur de distorsion harmonique (THD), et les pertes à la commutation [135].

Il existe deux techniques pour commander les états des interrupteurs d’un onduleur de tension, la technique de commande en tension (Voltage-Controlled PWM (VC-PWM)), et la technique de commande en courant (Current-Controlled PWM (CC-PWM) ) [136].

2.4.1 Techniques de commande en tension

En créant des entailles dans la tension carré de sortie de l’onduleur, on peut contrôler le fondamental de la tension délivrée par l’onduleur et éliminer (ou atténuer) les harmoniques en présélectionnant ces entailles, cela est le principe fondamental des techniques de modulation PWM. Plusieurs techniques possibles sont proposées dans la littérature, chacune se diffère par le principe de modulation adopté, les plus utilisées sont [137] :

• La modulation sinusoidale-triangulaire (SPWM).

• La modulation précalculée (Selected Harmonic Elimination (SHE)). • La modulation vectorielle (Space Vector PWM (SVPWM)).

• La modulation aléatoire (Random PWM (RPWM)).

• La modulation SIGMA DELTA. (la tension de référence et la tension mesurée sont comparées (opération delta) ensuite l’erreur est intégrée (opération sigma).

Comme on va travailler sur la commande en courant on ne va pas détailler toutes ces méthodes, le lecteur trouvera amplement de détails dans [137, 138] et bien d’autres oeuvres.

2.4.2 Techniques de commande en courant

Les onduleurs de tension contrôlés en courant offrent des performances dynamiques élevées dans les entrainements à vitesse variables des machines à courant alternatif [139]. La

35 commande en courant à hystérésis est l'une des méthodes simples et largement utilisées [140], elle a été appliquée pour la première fois par [141].

Le principe de la technique CC-PWM est de forcer les courants de phases dans la charge (MAS dans notre cas) à poursuivre leurs références. Les signaux de commutations sont générés après une comparaison entre les courants de références et ceux mesurés afin de réduire les erreurs. Par conséquent, la technique CC-PWM réalise deux tâches principales : compenser (minimiser) les érreurs et réaliser la modulation (détermination des états de commutation).

Les stratégies de contrôle en courant sont divisées en deux catégories: linéaire et nonlinéaire [136], bien qu’il exixte d’autres interprétations comme dans [142], mais de peur qu’il y ait confusion on a gardé celle qui présente plus de distinction.

 La CC-PWM nonlinéaire

Dans ce type de contrôle les états de commutation de l’onduleur sont déterminés à partir des érreurs entre les vecteurs de courants mesurés et de références. La technique la plus courament utilisée est la commande par comparateurs à hystérésis (figure 2.5). Elle se distingue par le fait qu’elle possède une réponse transitoire la plus rapide avec une limitation intrinsèque du courant instantané [143], ajouté à cela elle est beaucoup plus simple à implémeter.

Fig. 2.5: Commande par régulateur à hystérésis.

 La CC-PWM linéaire

Ces systèmes de commande ont l’avantage d’utiliser les différentes techniques de modulation PWM (PWM sinusoidale, SVM, ou PWM optimale) qui sont à fréquence fixe. Prenant l’exemple représenté sur la figure 2.6 qui décrit une technique dite commande à comparaison avec une rampe. L'erreur entre la référence et le courant mesuré de la MAS est traitée par un régulateur proportionnelle-intégrale (PI) pour produire les tensions de

36 référence. La modulation PWM est nécessaire pour générer les signaux de commande des interrupteurs, les séquences de commutation sont déterminées par la comparaison d’un signal de porteuse triangulaire et la sortie de chaque comparateur est utilisée pour commander un bras de l'onduleur.

Fig. 2.6 :Structure du régulateur de courant linéaire.

On retrouve aussi parmi cette catégorie la commande prédictive [144, 145, 146]. travaillant à fréquence de commutation fixe mais avec moins d’ondulations de courant, donc elle présente plus de performances en régime permanent, mais en pratique elle est dificile à mettre en oeuvre [139].

Avec cette méthode, la fréquence de commutation est fixée par la porteuse. Les performances de ce procédé de contrôle dépendent de la conception des paramètres de régulation et de la fréquence des courants de références. Elle présente toutefois une erreur statique pour des références sinusoïdales, et souvent elle a une capacité dynamique limitée et doit être adaptée aux caractéristiques de la charge pour réaliser une performance adéquate [147, 148].

 Conclusion

D’après toute la bibliographie que nous avons étudié au chapitre 1, chaque méthode présente des avantages et des inconvènients, toutefois, on a opté pour la technique de commande par comparateurs à hystérésis vu les bonnes performances dynamiques qu’elle présente et surtout elle est la plus simple en terme d’implémentation pratique, en outre cette technique ne nécessite pas d'informations sur les paramètres du système. Le seul problème majeur de cette méthode est la fréquence variable, mais comme notre onduleur peut travailler jusqu’à 50 kHz maximum, cette contrainte peut être tolérée.

37

2.4.3 Description de la technique de commande par hystérésis

La figure 2.7 illustre le principe et l’implémentation du contrôle par hystérésis et comment obtenir les sigaux de commandes (Sa, Sb, Sc) des bras de l’onduleur triphasé qui alimentent la MAS.

Fig. 2.7 : Contrôle par hystérésis (a) Principe, b- Implémentation [137 (pp.201)]

Les courants de références sinusoïdaux sont comparés avec les courants de phase respectifs de la machine ( ), dès qu’une erreur εik dépasse une bande prédéfinie, la fonction de commande du bras Si du convertisseur commute. On parle alors de contrôle par hystérésis bang-bang. Pour un fonctionnement symétrique la bande d'hystérésis est la même pour toutes les phases.

La largeur de bande affecte implicitement l’ondulation maximale tolérée du courant et aussi la qualité du courant de sortie. Cette valeur va influer directement sur le THD [149]. La réduction de la bande améliore la qualité en harmonique de la forme d’onde mais augmente la fréquence de commutation ce qui par conséquent augmente les pertes de commutation [137]. Le contrôle de trois erreurs dans leur bande d’hystérésis se traduit dans le repère vectoriel par une surface hexagonale représentée sur la figure 2.8.

38

Fig. 2.8: Zone de contrôle des erreurs dans un repère vectoriel.

Après ces définitions trois types d’inconvénients sont à prendre en considération [138, 149], dans cette technique la fréquence de commutation n’est pas fixe, dépassement de la bande allant jusqu’à , en plus qu’il y a une intéraction entre phases car la commutation d’un bras est réalisée sans considérer le comportement des deux autres phases. Beaucoup de travaux sont mis en oeuvre pour l’amélioration de cette technique. Dans notre thèse on s’entiendra qu’à la forme de base car le dévelopement d’une stratégie de contrôle de l’onduleur est hors cadre de notre cahier de charge.