Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
Direction Générale des Études Technologiques I
NSTITUTS
UPERIEUR DESÉ
TUDEST
ECHNOLOGIQUES DEB
IZERTEDépartement de Génie Électrique
R APPORT DE
P ROJET DE F IN D ’ ETUDES
En vue de l’obtention de : Licence Appliquée en Génie Électrique
Etude et conception d’un module électronique variateur de vitesse
Effectué à : Centre National des Sciences et Technologies Nucléaires (CNSTN)
1. Élaboré par :
Jemai Koussay (EI) Jlassi Ahmed (EI)
2. Encadré par :
Mme. Zoghlami Imen (ISET de Bizerte) Mr. Trabelsi Mohamed Hedi (CNSTN)
Soutenu le 12/06/2017 devant la commission composée de :
Président : Mr. Ourabi Lassaad Rapporteur : Mme Shaiek Yosra Membre : Mme Houssaini Zeineb
Référence
Dép. Génie Électrique A.U 2016-2017
N° EI 02.17
Remerciements
Après avoir rendu grâce à dieu le tout puissant et le miséricordieux nous tenons à remercier vivement tous ceux qui, de près ou de loin ont participé à la rédaction de ce document.
Nous tenons à remercier la Direction Générale de la CNSTN qui nous donné la chance de faire le projet de fin d’étude, et en particulierMr. KRAIEM MOKHTAR l’ingénieur en chef de l’Unité de Radio Traitement.
Noussommes très reconnaissants à Mr.TRABELSI MOHAMED HEDI, ingénieur etresponsable de maintenance à la sous-direction du rayonnement ionisant, d’accepter notre proposition de projet de fin d’étude au centre et de nous accordersaconfiance.
Nous exprimons toute notre gratitude à Mme. ZOGHLAMI IMEN, assistant technologue de l’ISETBIZERTE, pour son encadrement, sa disponibilité, et sa qualité scientifique.
Nous tenons à manifester nos remerciements envers tout le personnel de l’URT qui ont contribué au déroulement de notre stage dans de bonnes conditions.
.
Table des matières
Introduction générale ... 1
Chapitre 1 : Présentation du cadre du projet... 3
1. Présentation du CNSTN ... 3
1.1. Présentation de l’unité de radio traitement gamma ... 4
1.1.1. Principe et avantages de l’ionisation... 5
1.2. Présentation de l’accélérateur linéaire d’électron ... 6
2. Description de la table tournante et son moteur ... 8
3. Le cahier des charges ... 9
3.1. Contexte et définition du problématique : ... 9
3.2. Objectifs ... 9
3.2. Analyse fonctionelle du systéme ... 9
1. Le moteur asynchrone triphasé ...12
1.1. Présentation ...12
1.2. Principe de fonctionnement ...13
1.3. Modèle électrique du moteur asynchrone en régime permanant ...14
1.4. Bilan des puissances ...15
2. Principe de variation de vitesse...16
2.1. Action sur le nombre de pôles ...16
2.2. Action sur le glissement ...17
5.3. Action sur la fréquence ...17
3. Le variateur de vitesse ...18
3.1. Définition et principe ...18
3.2. Etude de structure de puissance ...18
3.2.1. Modélisation de redresseur ...19
3.2.2. Modélisation de filtre ...20
3.2.3. Modélisation d’onduleur ...21
4. Les différentes stratégies de modulation ...22
4.1. La modulation linéaire multiple (UPWM)...22
4.2. La modulation calculée...23
4.3. La Modulation vectorielle ...23
4.4. Modulation de Largeur d’Impulsion Sinus-Triangle ...24
5. Généralité sur la carte de commande ‘ARDUINO UNO’ ...26
5.1. Matériel ...26
5.2. Les cartes Arduino ...26
5.3. Les avantages ...27
Chapitre 3 : Simulation de l’onduleur triphasé sur PSIM ...29
1. Simulation de la technique MLI sinusoïdale- triangulaire ...29
1.1. Simulation avec signal porteuse égale à 500Hz ...33
1.2. Simulation avec signal porteuse égale à 2000Hz ...34
1.3. Simulation avec signal porteuse égale à 4000Hz ...35
2. Interprétation des résultats ...36
Chapitre 4 : Conception du variateur de vitesse ...39
1. Circuit de commande de l'onduleur triphasé ...39
1.1. Partie alimentation ...39
1.2. Partie génération et adaptation des signaux de commande MLI ...41
1.3. Partie isolation et commande de MOSFET ...43
1.3.1. Les composants de la partie isolation et commande de MOSFET ...44
1.3.1.2. OPTOCOUPLEUR HCPL2630 ...46
1.3.2. Conception de la carte d’isolation et commande de MOSFET ...46
2. Circuit de puissance de l'onduleur triphasé ...47
2.1. Choix d'interrupteur ...49
2.1.1. Caractéristique statique de l’interrupteur ...49
2.1.2. Le semi-conducteur utilisé ...50
2.1.3. Comparaison entre MOSFET et L’IGBT ...51
2.1.4. La diode rapide...51
2.1.5. Le Radiateur ...52
2.2. Conception de la carte puissance ...52
2.2.1. Protection de la carte de puissance ...54
2.2.1.1. Circuit RCD ...54
3. Programmation de la carte ARDUINO ...54
3.1. Une idée générale sur le programme ...54
3.2. Détail du programme ...55
3.2.1. La méthode du DDS ...56
3.2.1.1. Les avantages de la méthode ...56
3.2.1.2. La théorie de la méthode ...56
4. Etude économique du projet ...57
Conclusion générale ...58
Bibliographie ...59
Netographie ...60
Annexes ...60
Liste des figures
Figure 1: Bâtiment de l'irradiateur Cobalt 60 ... 5
Figure 2: La source télescopique ... 5
Figure 3: Plan de l’accélérateur ... 6
Figure 4: convoyeur de produit ... 7
Figure 5: Cornet de balayage ... 7
Figure 6: Table à plateau tournant ... 8
Figure 7: Moteur asynchrone triphasé... 8
Figure 8: Diagramme niveau A-0 ... 9
Figure 9 : Les quatre questions du diagramme ...10
Figure 10: Diagramme d’interaction ...10
Figure 11: Solution technique ...11
Figure 12: Vue interne d’un moteur asynchrone ...12
Figure 13: Schéma descriptif du moteur asynchrone ...13
Figure 14: Caractéristiques du moteur asynchrone...14
Figure 15: Modèle par phase du MAS en régime permanent ...14
Figure 16: Description du bilan des puissances du moteur...15
Figure 17: Moteur à enroulements séparés ...16
Figure 18: Moteur à couplage de pôles ...17
Figure 19: Techniques de variation de vitesse par l’action sur le glissement g ...17
Figure 20: Technique de variation de vitesse par l’action sur la fréquence f...18
Figure 21: Structure de puissance d’un variateur de vitesse ...19
Figure 22: Schéma de redresseur triphasé à diodes ...19
Figure 23: Allure de la tension pour le redresseur non-commandé ...20
Figure 24: Schéma du filtre LC ...20
Figure 25: Circuit intermédiaire à tension filtrée continue constante...21
Figure 26: Allure du courant à la sortie de l’onduleur ...22
Figure 27: La modulation de largeur d’impulsions multiples ...23
Figure 28: Tension composée pour un MLI calculé ...23
Figure 29: Représentation vectorielle des tensions générées par l’onduleur...24
Figure 30: Principe de l’MLI Sinus-Triangle ...24
Figure 31: La création des signaux des impulsions et des tensions ...25
Figure 32: La carte Arduino Uno ...27
Figure 33: Schéma de l'onduleur triphasé...29
Figure 34: Schéma de trois signaux modulateurs et signal porteuse ...30
Figure 35: schéma de trois signaux sinusoïdaux avec signal triangulaire commune...31
Figure 36: Premier signal MLI avec une fréquence de porteuse triangulaire égale à 500Hz ...31
Figure 37: Deuxième signal MLI avec une fréquence de porteuse triangulaire égale à 500Hz...32
Figure 38: Troisième signal MLI Avec une fréquence de porteuse triangulaire égale à 500Hz ...32
Figure 39: allure de courant pour les trois phases et la tension entre deux phases de la charge ...33
Figure 40: forme des tensions et courants de chaque phase...33
Figure 41 : allure de courant et de tension pour la première phase de la charge et le signal MLI générer a fréquence de 500hz...34
Figure 42 : allure de courant et de tension pour la première phase de la charge et le signal MLI générer a fréquence de 2000Hz. ...34
Figure 43: allure de courant et de tension pour la première phase de la charge et le signal MLI générer a fréquence de 4000Hz. ...35
Figure 44: Tension entre de phase avec fréquence de porteuse triangulaire égale à 500 Hz. ...36
Figure 45: Tension entre deux phases avec fréquence de porteuse triangulaire égale à 1000 Hz. ...37
Figure 46 : Tension entre deux phases avec fréquence de porteuse triangulaire égale à 2000 Hz. ...37
Figure 47: Tension entre deux phases avec fréquence de porteuse triangulaire égale à 4000 Hz. ...37
Figure 48: Tension entre deux phases avec fréquence de porteuse triangulaire égale à 6000 Hz. ...38
Figure 49: Carte d’alimentation de circuit d’isolation et commande de MOSFET sur ISIS ...41
Figure 50: schéma de carte d’alimentation schéma ares...41
Figure 51:Schéma 3D de la carte d'alimentation ...41
Figure 52: carte de commande, génération et adaptation des signaux de commande MLI...42
Figure 53: Schéma Ares de la carte de commande, génération et adaptation des signaux MLI ...42
Figure 54: Schéma 3D ...43
Figure 55: schéma fonctionnelle de variateur de vitesse ...43
Figure 56: Synoptique simplifié de fonctionnement ...44
Figure 57: Connexion du driver IR2112 ...45
Figure 58: Le schéma de HCPL2630 ...46
Figure 59: Schéma de carte isolation et commande de MOSFET sur Isis ...46
Figure 60: Carte d’isolation et commande de MOSFET sur ares ...47
Figure 61: Schéma 3D ...47
Figure 62: Schéma de Carte d’alimentation d’onduleur triphasé sur Isis ...48
Figure 63 : Schéma de carte d’alimentation d’onduleur triphasé sur ares ...49
Figure 64: Schéma 3D ...49
Figure 65: Caractéristique statique de l’interrupteur ...50
Figure 66: L'interrupteur bidirectionnel en courant ...50
Figure 67: Le semi-conducteur IRFP460 ...51
Figure 68: La diode A3006P ...52
Figure 69: Radiateur ...52
Figure 70: Schéma électrique de la partie puissance avec ISIS ...53
Figure 71: Schéma de circuit imprimé de la partie puissance avec ARES ...53
Figure 72: Largeur de piste en fonction de l'intensité ...54
Figure 73: Composants DDS ...56
Liste des tables
Table 1: Caractéristiques du moteur ... 8
Table 2: Les fonctions du systéme ...11
Table 3: Comparaison entre MOSFET et L’IGBT ...51
Table 4: Montant total de la fabrication des cartes ...57
Introduction générale
Plus de la moitié de l’énergie électrique produite dans les pays industrialisés est transformée en énergie mécanique par des moteurs. Les moteurs asynchrones produisent autour de 70% de cette énergie mécanique et absorbent de 40 à 50% de l’énergie électrique.
Les performances exigées de ces machines sont de plus en plus sévères,elles doivent allier souplesse, précision et fiabilité.Les progrès réalisés dans les domaines de l’électronique de puissance et de la commande numérique ont permis la conception de variateurs de vitesse performants pour ces machines à courant alternatif.
Aujourd’hui ces machines remplacent de plus en plus les machines à courant continu dans la plus part des applications nécessitant des entrainements à vitesse variable.
Le variateur de vitesse est un dispositif électronique pilotant un moteur électrique de façon à contrôler, par exemple, sa vitesse en présence de charges fluctuantes.
Le moteur asynchrone à cage excelle lorsqu’il doit fonctionner à vitesse constante, en effet, ses avantages sont nombreux, ce qui a fait qu’il est devenu un moteur électrique très présent dans l’industrie.
Toutefois, avec le développement de l’industrie et l’accroissement continu de l’automatisation des processus de production, le moteur asynchrone suscite de plus en plus l’intérêt des industriels.
La disponibilité des convertisseurs de fréquence assurant la mise en forme de l’énergie électrique et la mise en place de lois de commande, souvent implémentées dans un microcalculateur, permet d’utiliser le moteur asynchrone à cage dans des applications à vitesse variable.
Pour les premières applications, le réglage de la vitesse en régime permanent constituait la principale satisfaction des industriels; très vite on s’est intéressé aux performances de réglage durant les régimes transitoires ; à savoir le démarrage, le freinage ainsi que ceux qui apparaissent lors de l’application d’une charge.
Que ce soit en régime permanent ou en régime dynamique, les recherches effectuées ont montré que le moteur asynchrone peut être commandé en utilisant la modulation de largeur d’impulsion (MLI sinus triangle),la commande MLI sinus triangle est la plus simple à mettre en œuvre.
Afin de répondre aux objectifs cités dans le cahier de charge, ce rapport est organisé de la manière suivante :
Dans le premier Chapitre nous présentons d’abord la société d’accueil et l’unité au sein de laquelle se déroule le PFE, ensuite le cahier des charges du projet et son environnement.
Dans le second chapitre nous commençons par une étude sur le moteur asynchrone triphasé, ensuite la structure de puissance du variateur et les différentes stratégies de commande des onduleurs et enfin nous donnons une petite description sur la carte de commande ’’Arduino’’.
Dans le troisième chapitre nous simulons l’onduleur triphasé et sa technique de commande MLIsinusoïdale- triangulairesur le logiciel PSIM.
En findans le dernier chapitre, nous présentons les méthodes de conception des différents cartesconstituent le module électronique de variation de vitesse et leurs schémas réalisées par les logiciels ‘ISIS’ et ‘ARES’, puis nous justifierons le choix des composants utilisés dans les cartes et enfin sur le programme exécutable sur la carte ‘Arduino’.
Chapitre 1 : Présentation du cadre du projet
Introduction
Certaines applications demandent une adaptation du couple, vitesse, de l’accélération ou d’autres grandeurs liées au moteur pour une conduite satisfaisante du procédé voulu,d’où l’existence des variateurs de vitesse.
Dans ce chapitre nous présenterons d’abord la société d’accueil et l’unité au sein de laquelle se déroule le PFE, ensuite le cahier des charges du projet et son environnement.
1. Présentation du CNSTN
Le "Centre National des Sciences et Technologies Nucléaires", (CNSTN) a été créé en 1993.
Le Centre a pour mission de réaliser les études et recherches nucléaires à caractère pacifique dans les différents domaines, ainsi que la maîtrise des technologies nucléaires, leur développement et leur utilisation aux fins du développement économique et social", et notamment dans les domaines de l'agriculture, de l'industrie, de l'énergie, de l'environnement et de la médecine, et d'une façon générale, la réalisation de toutes les activités tendant à assurer le développement des sciences nucléaires, la promotion de ses différentes applications et la maîtrise des technologies nucléaires à des fins pacifiques.
Les laboratoires du centre sont les suivants : - Unité d'Hydrologie Isotopique - Unité Radio pharmaceutiques
- Unité Pilote de Traitement par Rayonnements Ionisants (unité au sein de laquelle s’est déroulé le PFE)
- Unité d'Electronique et Instrumentation Nucléaire - Unité de Radio analyse
- Unité Pilote de Production des Males Stériles de la Cératite - Unité de Microbiologie
- Unité de Radioprotection - Unité de Radiochimie
Le PFE est effectué au sein de l’unité de radio traitement, qui fait partie de la Sous-direction du Rayonnement Ionisant ‘SDRI’.
Les missions de cette unité sont les suivants :
- Mener des travaux de recherche et développement sur le radio traitement de tous les produits présentant un intérêt socio-économique notamment agroalimentaires, pharmaceutiques, biologiques, matériaux, objets du patrimoine, etc.
- Traitement des produits industriels, pharmaceutiques et agro-alimentaires, stérilisation de matériel médicochirurgical à usage unique (gants, seringues, etc.), prothèses et implants, matériel de laboratoire, stérilisation des dispositifs médicaux.
- Décontamination de produits pharmaceutiques fins : talc, poudres biologiques - Décontamination et conservation des denrées alimentaires
- Décontamination microbienne (Légumes et fruits secs, viandes)
- Inhibition de la germination des légumes (pomme de terre, oignon, ail, etc.) L’unité est constituée de deux grandes installations qui vont être décrites par la suite.
1.1. Présentation de l’unité de radio traitement gamma
L’irradiateur pilote, installé au CNSTN, produit un flux des rayonnements Gamma issus d'une source scellée radioactive de cobalt 60. L’unité de radio traitement utilise ces rayonnements ionisants aussi bien pour la conservation des produits alimentaires et la stérilisation des produits médicales à usage unique (gants stérile, boites de Petrie, seringues..) que pour conférer de nouvelles propriétés physico-chimiques aux produits industriels (verre, bois, plastique…).
L’unité est dotée d’une source scellée radioactive de cobalt – 60, constituée d’une cellule d’irradiation abritant la source, d’un labyrinthe, d’une salle de commande, d’un laboratoire de dosimétrie, d’un hall de stockagedes produits ionisés et non ionisés et des chambres froides.
Figure 1: Bâtiment de l'irradiateur Cobalt 60
Figure 2: La source télescopique
1.1.1. Principe et avantages de l’ionisation
Le principe du traitement par rayonnements ionisants, consiste à soumettre les produits à traiter (emballés ou en vrac) aux flux de photons gamma pour une durée déterminée. La durée d'exposition varie en fonction de la nature du produit et du résultat escompté.
Quel que soit la dose appliquée, ce procédé ne rend en aucun cas le produit radioactif.
Quel que soit le type de rayonnement utilisé (Gamma ou Bêta), la technique de l’ionisation présente plusieurs avantages pour les utilisateurs, en effet, le rayonnement ionisant est un rayonnement pénétrant, non chimique, non agressif et sans dégagement de chaleur.
De ce fait :
Pas de danger pour la santé humaine : absence de produits chimiques et de radioactivité induite.
Pas de problème de recontamination bactérienne : traitement des produits déjà conditionnés :
Possibilité de combinaison avec d’autres méthodes de conservation (froid, chaleur, agents antimicrobiens...).
1.2. Présentation de l’accélérateur linéaire d’électron
Dans le cadre de la diversification des moyens de développement des procédés d’ionisation et de l’augmentation de la capacité de traitement semi industrielle, le CNSTN a entamé la mise en place d’une unité de radio traitement par faisceau d’électrons.
Cet accélérateur opère à trois niveaux d’énergie :
5, 7.5 et 10 MeV et délivre une puissance de 5 kW pouvant, en temps opportun et en fonction du développement du marché, être augmentée à 10 kW. L’accélérateur d’électrons serait utilisé comme base au développement et essais pour cette technologie mais aussi comme unité d’accompagnement dans les développements de traitements industriels en attente des investisseurs futurs.
L’utilisation d’un faisceau d’électrons très énergétique de 10 MeV offre, par rapport aux rayonnements gamma, une stérilisation plus homogène (balayage calculé), un traitement continu et plus rapide, le temps d’exposition ne dure que quelques secondes dans le cas des doses faibles (énergie presque dix fois supérieure). De même il s’agit d’une méthode à l’aval des écologistes puisqu’on n’utilise pas de sources radioactives.
Figure 3: Plan de l’accélérateur
Plan de l’accélérateur
Description de différentes composantes d’accélérateur :
- Accélérateur d’électrons de type CIRCE III à 3 niveaux d’énergie : 5,7.5 & 10 MeV et de puissance maxi de 5 kW
- Convoyeur des produits
- Alimentation électrique & courant secouru (automates) - Extraction d’ozone
- Groupe réfrigérant / Circuit de refroidissement - Équipements de dosimétrie & sécurité
- Protection biologique (casemate)
Figure 4: convoyeur de produit
Figure 5: Cornet de balayage
2. Description de la table tournante et son moteur
Pour réaliser des traitements par le rayonnement Gamma de produits de différentes natures comme les produits agro-alimentaires, les dispositifs médicaux et différents autres matériaux.
Nous avons besoin d’un dispositif qui permet de pivoter le produit à irradier devant une source radioactive, pour homogénéiser les doses à administrer, pour cela on utilise la table à plateau tournant.
Figure 6: Table à plateau tournant
Le système d’entrainement en rotation est un moto-réducteur. Le moteur qui entraine la
rotation de ce plateau est un moteur asynchrone triphasé qui a les caractéristiques suivantes:
Figure 7: Moteur asynchrone triphasé
Puissance 0.37 Kw
Fréquence 50 Hz
Courant (I) 1.8 A (triangle) 1.04 A (étoile) Vitesse de rotation 1370 tour/min
Table 1: Caractéristiques du moteur
3.Le cahier des charges
3.1. Contexte et définition du problématique :
Afin mener des travaux de recherches scientifique, nous avons d'une plateforme d'expérience à base d'un table à plateau tournant, disposant d'un système électronique de variation de vitesse de la rotation de son plateau.
En effet le PFE consiste a concevoir et réaliser un système électronique pour commander la variation de vitesse de rotation du moto-réducteur entraînant la table tournante.
3.2. Objectifs
Les objectifs attendus sont les suivants :
Variation de vitesse de rotation
Commande onduleur
Conception des cartes électroniques
3.2. Analyse fonctionelle du systéme W.électriqueProgrammeRéglage
Vitesse de référence Vitesse du moteur
Varierle vitesse
Figure 8: Diagramme niveau A-0 Varier la vitesse
Enoncé du besoin : COMMENT ?
SUR QUI ? POURQUOI ?
AVEC QUOI ?
Figure 9 : Les quatre questions du diagramme
POURQUOI ?: pour varier la vitesse du moteur asynchrone de table tournant SUR QUI ?: sur la vitesse de référence
COMMENT ?: en utilisant la commande Mli sinus_triangle
AVEC QUOI ?: avec le module électronique à concevoir (variateur de vitesse)
Diagramme d’interaction
FC6 FC5
FC1 FP1 FC4 FC2 FC3
Figure 10: Diagramme d’interaction Varier la vitesse du
moteur asynchrone
Variateurde vitesse Charge
Opérateur
Moteur Energie
Diagnostic
VCoût
FP1 Varier la vitesse du moteur asynchrone de table tournant FC1 Utiliser l’enegie electrique pour la mise en marche FC2 Permettre à l’utilisateur de varier la vitesse du moteur
FC3 Permettre de connaitre les principales contraintes au développement du systéme
FC4 Avoir un coût acceptable
FC5 S’adapter aux caractéristiques du moteur
FC6 S’adapter aux changements des caractéristiquesde la charge Table 2: Les fonctions du systéme
3.3. Solution proposé
Apres avoir réaliser des recherches nous avons trouver la solution technique suivante:
Figure 11: Solution technique
Conclusion
Après la présentation du cadre de projet et son cahier des charges,nous avons une solution technique pour la réalisation du variateur de vitesse et donc nous allons étudier cette solution dans le chapitre suivant.
varier la vitesse du moteur asynchrone
Carte de puissance
Redresseur Onduleur
Carte d'isolation
Carte d'alimentaton
Carte de commande
Carte Arduino
uno
Chapitre 2 : Etude théorique
Introduction
La machine asynchrone, en raison de son faible coût et de sa robustesse, constitue actuellement la machine la plus utilisée pour réaliser des variateurs de vitesse.
La commande MLI sinus triangle de l’onduleur, la plus ancienne et la plus rustique, correspond à des applications n’exigeant que des performances statiques et dynamiques moyennes.
Dans ce chapitre nous commençons par une étude du moteur asynchrone triphasé, ensuite la structure de puissance du variateur et les différentes stratégies de commande des onduleurs et enfin nous donnons une petite description sur la carte Arduino.
1. Le moteur asynchrone triphasé
1.1. Présentation
Le moteur asynchrone est constitué d’un stator feuilleté qui accueille trois enroulements statoriques constituant un bobinage triphasé, cet enroulement est alimenté par une source triphasée, le rotor quant à lui procède trois enroulements courts circuits (Fig 12).
Le moteur asynchrone est très présent dans l’industrie vu son cout faible et vu qu’il ne nécessite pas un entretien sévère,il tourne à une vitesse de rotation Ω inférieure à la vitesse de synchronisme Ωs.
La vitesse de synchronisme est la vitesse du champ magnétique tournant dans la machine, sa valeur est imposée par la source d’alimentation triphasée.
Figure 12: Vue interne d’un moteur asynchrone
1.2. Principe de fonctionnement
Les courants alternatifs dans le stator créent un champ magnétique tournant à la vitesse du synchronisme :
Ωs=Ws/p
Avec Ws : pulsation propre du réseau.
P : nombre de pair de pôles.
Les courants triphasés rotoriques créent à leur tour un deuxième champ magnétique tournant qui se pose au champ tournant statorique (Loi de Lenz).
La vitesse de rotation relative du champ statorique Bs par rapport au rotor est : Ωs − Ω = Ωrelative
La pulsation électrique du rotor est alors :
wr = p. ( Ωs − Ω) On appelle glissement :
g =Ωs − Ω Ωs
Puisque la pulsation rotoriquewr est la vitesse absolue de ce champ est : Ω +wr
p = Ω + (Ωs − Ω) = Ωs
Les deux champs tournent alors à la même vitesse. Le champ magnétique résultant est un champ tournant à la vitesse Ω (Fig 13).
Figure 13: Schéma descriptif du moteur asynchrone Le couple moteur varie avec la vitesse de rotation suivant le graphe ci-dessous :
Figure 14: Caractéristiques du moteur asynchrone
Si le glissement est faible (fonctionnement nominal) on peut estimer que le couple est Proportionnel au glissement : T = k.g
1.3. Modèle électrique du moteur asynchrone en régime permanant
Pour l’étude du moteur asynchrone dans le régime permanent, nous supposons les hypothèses suivantes :
Entrefer régulier
Répartition sinusoïdale du champ
Circuit magnétique non saturé
En régime permanant l’expression électrique par phase du moteur asynchrone relative à la figure suivante est :
Figure 15: Modèle par phase du MAS en régime permanent Tel que :
Rs : résistance d’un enroulement statorique Rr : résistance d’un enroulement rotorique Rf : résistance qui rend compte des pertes fers
m : coefficient de bobinage
ls : inductance dans un enroulement statorique
1.4. Bilan des puissances
La répartition des puissances dans le moteur asynchrone est définit comme suite :
Figure 16: Description du bilan des puissances du moteur
La puissance absorbée est la somme de la puissance électromagnétique (Pe ) et des pertes joules statoriques (Pjs) et pertes ferre (Pfer) . Son expression est la suivante :
𝑃𝑎 = √3. 𝐼. 𝑈. 𝑐𝑜𝑠𝜑
Les pertes joules statoriques, dans le cas général, sont calculées comme suite : 𝑃𝑗𝑠 =3
2. 𝑅. 𝐼2
La puissance électromagnétique ou puissance transmise du stator vers rotor est : 𝑃𝑒 = 𝑃𝑎 − 𝑃𝑗𝑠 − 𝑃𝑓𝑒𝑟
La puissance mécanique s’exprime comme suite :
𝑃𝑚 = 𝑃𝑒. (1 − 𝑔) Les pertes joules rotoriques s’exprime :
𝑃𝑗𝑟 = 𝑔. 𝑃𝑒
Bilan complet :
𝑃𝑎 = 𝑃𝑢 + 𝑃𝑗𝑠 + 𝑃𝑗𝑟 + 𝑃𝑓𝑒𝑟
𝑃𝑗𝑟 + 𝑃𝑓𝑒𝑟 = 𝑃𝑒 − 𝑃𝑚 = 𝑃𝑒 − 𝑃𝑒. (1 − 𝑔) = 𝑔. 𝑃𝑒
2. Principe de variation de vitesse
On rappelle l’expression de la vitesse angulaire de rotation de l’arbre d’un moteur asynchrone :
Ω = 2𝜋. (1 − 𝑔).𝑓 𝑝 avec :
g : le glissement
f : la fréquence des grandeurs électriques statoriques en hertz p : le nombre de paires de pôles
On peut déduire de cette expression qu’il y a trois possibilités pour agir sur la vitesse d’un moteur : l’action sur p, l’action sur g et l’action sur f.
2.1. Action sur le nombre de pôles
Deux types de moteurs permettent une action sur le nombre de pôles :
les moteurs à enroulements séparés : plusieurs bobinages sont insérés au stator et le nombre p de paires de pôles est différent pour chaque bobinage.
A chaque bobinage alimenté, on obtient une vitesse de synchronisme différente, et, au glissement près, une vitesse du rotor différente.
Les moteurs à couplage de pôles (Dalhander) : le stator est constitué de 6 bobinages et selon leur mode de connexion, on obtient p1 ou p2 paires de pôles par phase.
Le schéma de ces deux types de moteurs est donné par les figures 17 et 18.
Figure 17: Moteur à enroulements séparés
Figure 18: Moteur à couplage de pôles
2.2. Action sur le glissement Deux techniques existent :
La première utilise un moteur à rotor bobiné. En insérant des résistances en série avec les enroulements rotoriques, le glissement varie.
Ce procédé entraîne des pertes par effet joule importantes au rotor, le rendement est loin d’être optimal.
La seconde méthode consiste à récupérer l’énergie perdue dans la première méthode pour la renvoyer sur le réseau.
Ce système nécessite l’utilisation d’une cascade hypo synchrone qui permet de relier deux réseaux de fréquence différente (le rotor et le stator),la figure 19 présente ces deux techniques.
Figure 19: Techniques de variation de vitesse par l’action sur le glissement g
5.3. Action sur la fréquence
Comme le montre la figure 20, cette technique nécessite l’insertion d’un convertisseur de fréquence entre le réseau et le stator du moteur. Cette solution est actuellement la plus répandue.
Elle permet une grande souplesse de réglage de la vitesse du moteur asynchrone triphasé à cage.
Pour conserver les performances du moteur (couple maximal disponible en permanence quelle que soit la vitesse), nous verrons dans la suite qu’une commande en « U/f » est nécessaire.
Figure 20: Technique de variation de vitesse par l’action sur la fréquence f
3. Le variateur de vitesse
3.1. Définition et principe
Un variateur de vitesse est un équipement électrotechnique alimentant un moteur électrique de façon à pouvoir faire varier sa vitesse de manière continue. La vitesse peut être proportionnelle à une valeur analogique fournie par un potentiomètre ou par une commande externe (clavier): un signal référence de commande analogique ou numérique issue d'une unité de contrôle.
Les variateurs de vitesse sont constitués principalement d'un convertisseur statique et d'une électronique de commande.
3.2. Etude de structure de puissance
Le modèle complet de ce convertisseur statique qu’on a choisi pour le moteur asynchrone triphasé est une simple mise en cascade d’un redresseur, filtre et onduleur.
Afin de faire varier la vitesse et contrôler le couple des moteurs asynchrones il est nécessaire de faire varier simultanément l’amplitude et la fréquence de la tension (ou courant) d’alimentation.
La variation de l’amplitude et de la fréquence est assurée par un onduleur commandé.
L’onduleur de tension qui reçoit son énergie des batteries ou d’un réseau alternatif redressé via un redresseur (Fig 21).
Figure 21: Structure de puissance d’un variateur de vitesse
3.2.1. Modélisation de redresseur
Ce type de redresseur comporte trois diodes à cathode commune assurant l’aller du courant Id(t) :Dr1 ; Dr2 ; Dr3 et trois diodes à anode commune assurant le retour du courant Id(t):Dr4 ; Dr5 ; Dr6. Si l’effet d’empiètement est négligé, la valeur instantanée de la tension redressée peut être exprimé par :
𝑉𝑑(𝑡) = max(𝑉𝑎(𝑡), 𝑉𝑏(𝑡), 𝑉𝑐(𝑡)) − min (𝑉𝑎(𝑡), 𝑉𝑏(𝑡), 𝑉𝑐(𝑡))
Figure 22: Schéma de redresseur triphasé à diodes
Pour obtenir une tension continue à la sortie du redresseur, il est nécessaire de trouver un système qui permette d'exploiter les deux alternances; c'est le pont de diodes.
Dans le redresseur triphasé non-commandé utilisé, le pont de diodes permet, de générer une tension continue en redressant l'alternance négative de chaqu'une des trois tensions composées.
On voit que la tension de sortie n'est pas tout à fait continue et comporte une ondulation résiduelle (Fig 23).
Figure 23: Allure de la tension pour le redresseur non-commandé
3.2.2. Modélisation de filtre
Afin de réduire le taux d’ondulation de la tension redressée et de réduire la chute de
tension engendrer par la résistance R on utilise un filtre passe bas(LC) avec une résistance faible et négligeable ce filtre est modélisé (Fig 24).
Figure 24: Schéma du filtre LC
Lorsque le système sera alimenté un fort courant d’appel apparait au démarrage du moteur.
Une résistance est utilisée pour affaiblir ce courant transmis aux capacités de stockage. Suite au chargement des capacités, un relais placé en parallèle à la résistance se déclenche. Ce relais est commandé avec un signal tout ou rien.
Au déclanchement du relais l’onduleur sera directement alimenté.
En outre, si une défaillance ou coupure de courant s’est passé le relais se déclenche de la même façon et les capacités seront générateur de tension pour la charge durant un faible instant et jusqu’à l’arrêt.
Le décharge des capacités ne doit pas être rapide mais d’une façon progressive.
Ce qui justifie la présence des deux résistances misent à la sortie et en parallèle des capacités.
L’ensemble résistance, capacités et relais est appelé circuit intermédiaire (Fig 25).
Figure 25: Circuit intermédiaire à tension filtrée continue constante
3.2.3. Modélisation d’onduleur
La partie puissance de l’onduleur, module intelligent, est composé de six interrupteurs.
Chaque interrupteur comporte un transistor MOSFET et une diode en parallèle.
Ces interrupteurs sont commandés par la partie commande.
Il est alimenté à partir du circuit intermédiaire par une tension continue variable ou constante.
L'onduleur fournit au moteur une grandeur variable en tension ou en fréquence ou les deux en même temps suivant le cas.
En effet, une alimentation de l'onduleur :
En tension ou en courant continue variable, lui permet de réguler la vitesse du moteur en fréquence.
En tension continue constante, lui impose de réguler la vitesse du moteur en tension et en fréquence.
Bien que le fonctionnement des onduleurs soit différent, la technologie reste plus ou moins identique.
Pour une raison de souplesse de commande en fréquence, les onduleurs sont maintenant équipés de transistors de puissance haute fréquence plutôt que de thyristors.
Ce type de transistor de puissance notamment les MOSFET peut être allumé et éteint très rapidement et, par conséquent, couvrir une large plage de fréquence (entre 300 Hz et 20 kHz).
Le module utilisé est un onduleur de tension commandé.
Il est fonctionnel avec la modulation de largeur d'impulsion.
Ce type de modulation est souvent utilisé pour générer une tension triphasée à fréquence et tension variables.
Ce module admet une sortie indiquant un défaut propre à lui à savoir l’élévation de température.
De même il peut recevoir un ordre de freinage lors de l’arrêt ou l’inversion du sens du moteur (Fig 26).
Figure 26: Allure du courant à la sortie de l’onduleur
4. Les différentes stratégies de modulation
Les onduleurs de tension peuvent être pilotés suivants plusieurs stratégies.
A faible fréquence, ils sont pilotés en pleine onde, le signale de commande sera à la fréquence de la tension désiré à la sortie, et la source continu doit être réglable.
A fréquence élevée, ils sont pilotés en modulation de largeur d’impulsion.
Cette dernière stratégie permet de régler à la fois l’amplitude et la fréquence en gardent la source continue constante.
Afin de produire de tension de sortie proche de la sinusoïde, déférentes stratégies de commande ont été proposées par des différents auteurs pour l’onduleur de tension.
Nous étudions les stratégies suivantes :
4.1. La modulation linéaire multiple (UPWM)
Dans cette technique on compare une porteuse triangulaire avec un signal de référence linéaire. L’onde de sortie est sous la forme d’un train d’impulsion en créneaux de largeurs égales (Fig 27).
Figure 27: La modulation de largeur d’impulsions multiples
4.2. La modulation calculée
Cette technique de MLI consiste à calculer les instants de commutation des interrupteurs de manière à répondre à certains critères portant sur le spectre fréquentiel de l’onde délivrée par l’onduleur (Fig 28).
Les critères usuellement retenus sont :
élimination d’harmoniques de rangs spécifiés,
élimination d’harmoniques dans une bande spécifiée,
minimisation d’un critère harmonique global.
Figure 28: Tension composée pour un MLI calculé
4.3. La Modulation vectorielle
La Commande vectorielle est un terme générique désignant l'ensemble des commandes tenant compte des équations du système en régime dynamique. Le nom de ces commandes vient du fait que les relations finales sont vectorielles à la différence des commandes scalaires.
Un modèle scalaire, n'utilisant qu'une seule phase, ne permet pas de connaître le module et l'orientation du champ magnétique. Afin de les déterminer, on utilise un modèle biphasé du moteur en régime dynamique en se basant sur les relations de bases de la machine ainsi que des transformations des repères de représentations des grandeurs.
L’objectif de ce contrôle est d’aboutir à un modèle de la machine asynchrone qui rend compte de la commande découplée de la grandeur flux et de la grandeur courant générateur du couple (Fig 29).
Figure 29: Représentation vectorielle des tensions générées par l’onduleur
4.4. Modulation de Largeur d’Impulsion Sinus-Triangle
La modulation de largeur d’impulsion est réalisée par la comparaison d’une onde modulée basse fréquence (tension de référence) avec une onde porteuse haute fréquence de forme triangulaire.
Les instants de commutation sont déterminés par les points d’intersections entre la porteuse et la modulante, la fréquence de commutation des interrupteurs est fixée par la porteuse.
En triphasé, trois références sinusoïdales déphasés de 2π/3 à la même fréquence f.
Comme à la sortie de l’onduleur, la tension n’est pas purement sinusoïdale, donc elle comporte des harmoniques, seules responsables des parasites ce qui engendre des pertes supplémentaires (Fig 30).
Cette MLIsert à remédie ces problèmes et elle a les avantages suivantes :
Variation de la fréquence de la tension de sortie.
Elimination de certaines harmoniques de tension.
Figure 30: Principe de l’MLI Sinus-Triangle
Le principe de cette stratégie peut être résumé par l’algorithme suivant : Ur ≥ Up → S(t) = 1 sinon S(t) = 0 Avec :
Ur: Tension de référence.
Up: Tension de porteuse.
S(t) : est le signale MLI résultant.
Figure 31: La création des signaux des impulsions et des tensions Si la référence est sinusoïdale, on utilise deux paramètres caractérisant la MLI :
L’indice de modulation « m » qui est l’image du rapport de fréquence de la porteuse fp sur la fréquence de référence.
𝑚 =𝑓𝑝
𝑓 = 𝑇𝑟é𝑓 𝑇
Le taux de modulation (le coefficient de réglage) « r » qui est l’image du rapport des amplitudes de tension de la référence Vmréfsur la tension de la porteuse Vmp.
𝑉𝑚𝑟é𝑓 𝑉𝑚𝑝
5. Généralité sur la carte de commande‘ARDUINO UNO’
Arduino est une plate-forme de prototypage d'objets interactifs à usage créatif constituée d'une carte électronique et d'un environnement de programmation.
Sans tout connaître ni tout comprendre de l'électronique, cet environnement matériel et logiciel permet à l'utilisateur de formuler ses projets par l'expérimentation directe avec l'aide de nombreuses ressources disponibles en ligne.
Pont tendu entre le monde réel et le monde numérique, Arduino permet d'étendre les capacités de relations humain/machine ou environnement/machine.
Arduino est un projet en source ouverte : la communauté importante d'utilisateurs et de concepteurs permet à chacun de trouver les réponses à ses questions.
5.1. Matériel
La carte Arduino repose sur un circuit intégré (un mini-ordinateur appelé également microcontrôleur) associée à des entrées et sorties qui permettent à l'utilisateur de brancher différents types d'éléments externes :
Côté entrées, des capteursqui collectent des informations sur leur environnement comme la variation de température via une sonde thermique, le mouvement via un détecteur de présence ou un accéléromètre, le contact via un bouton-poussoir, etc.
Côté sorties, des actionneursqui agissent sur le monde physique telle une petite lampe qui produit de la lumière, un moteur qui actionne un bras articulé, etc.
Comme le logiciel Arduino, le circuit électronique de cette plaquette est libre et ses plans sont disponibles sur internet.
On peut donc les étudier et créer des dérivés.
Plusieurs constructeurs proposent ainsi différents modèles de circuits électroniques programmables et utilisables avec le logiciel Arduino.
5.2. Les cartes Arduino
Les cartes Arduino pour débuter : La carte Arduino UNO
La carte Arduino Mega2560 Les autres cartes Arduino : La carte Arduinobluetooth La carte Arduino Mini La carte Arduino Nano La carte Arduinolilypad
La carte ArduinoFio La carte Arduino Pro La carte ArduinoProMini Anciennes cartes Arduino : La duemilanove
La Miga
Dans notre projet, nous avons choisi la carte ArduinoUno.
5.3. Les avantages
Pas cher !
Environnement de programmation clair et simple.
Multiplateforme : tourne sous Windows, Macintosh et Linux.
Nombreuses librairies disponibles avec diverses fonctions implémentées.
Logiciel et matériel open source et extensible.
Nombreux conseils, tutoriaux et exemples en ligne (forums, site perso etc...)
Figure 32: La carte ArduinoUno
Conclusion
L’étage de puissance du variateur à concevoir comporte un redresseur à diodes, un filtre et un onduleur, ce dernier nécessite une stratégie de modulation pour fonctionner, nous avons choisi parmi les stratégies étudies la commande MLI sinus triangle.
De ce fait nous utilisons une carte ArduinoUno qui génère un signal MLI et elle représente aussi la partie commande du variateur.
Chapitre 3 : Simulation de l’onduleur triphasé sur PSIM
Introduction
Après l’analyse théorique nous abordons la simulation en utilisant un logiciel bien approprié, à savoir le PSIM.
1. Simulation de la technique MLI sinusoïdale- triangulaire Dans notre montage d’onduleur triphasé :
Le circuit de puissance comprend : - une source de tension continue de 400V
- la cellule onduleur constituée par six interrupteurs, de type IGBT (insulatedgate bipolar transistor) ;
- charge RL.
Le circuit de commande comprend :
- un générateur sinusoïdal fournissant le signal de modulation Vm, de fréquence 50 Hz ; - un générateur triangulaire fournissant la porteuse Vpde fréquence variable ;
- un comparateur qui génère les signaux de commande de 6 IGBT à partir de Vm et Vp.
Figure 33: Schéma de l'onduleur triphasé
Données : Vc = 400 V ;
R = 5 V ; L = 20 mH;
Vm : amplitude Vmmax = 4,5 V, fréquence fm= 50 Hz ;
Phase de Vm : Phase 1 = 0 , Phase 2 = - 120° , Phase 3 = - 240°.
Vp : valeur crête à crête = 10 V , offset = - 5 V, en va simuler avec fréquence de (500 HZ,2000HZ ,4000HZ).
la modulation de largeurs d’impulsions (MLI), est une technique basée sur la comparaison d’un signal de référence appelé aussi modulatrice d’amplitude Ar et de fréquence f, avec un signal appelé porteuse d’amplitude Ap et de fréquence fp variable et peut atteindre des valeurs de fréquence de quelque KHz (les points choisis pour la simulation sont 500 Hz, 2000Hz, 4000Hz) Les intersections entre les tensions de références et la porteuse donnent les instants d’ouverture et de fermeture des interrupteurs. Un générateur d’onde délivre l’onde triangulaire aux trois phases (porteuse commune), par contre la référence est propre à chaque phase, les trois références étant déphasées de 120°comme le montre dans les figures 34et 35.
Figure 34: Schéma de trois signaux modulateurs et signal porteuse
Figure 35: schéma de trois signaux sinusoïdaux avec signal triangulaire commune
La comparaison de signal sinusoïdale avec un signal triangulaire génère trois signaux MLI comme le montre dans les figures (36,37,38).
Figure 36: Premier signal MLI avec une fréquence de porteuse triangulaire égale à 500Hz
Figure 37: Deuxième signal MLI avec une fréquence de porteuse triangulaire égale à 500Hz
Figure 38: Troisième signal MLI Avec une fréquence de porteuse triangulaire égale à 500Hz
1.1. Simulation avec signal porteuse égale à 500Hz
Figure 39: allure de courant pour les trois phases et la tension entre deuxphases de la charge
L’allure de courant est reste la même dans la fréquence de 2000Hz et 4000Hz.
Figure 40: forme des tensions et courants de chaque phase
Figure 41 : allure de courant et de tension pour la première phase de la charge et le signal MLI générer a fréquence de 500hz
Allure de courant et de tension Pour les deux autres phasesle même principe que la première phase
1.2. Simulation avec signal porteuse égale à 2000Hz
Figure 42 : allure de courant et de tension pour la première phase de la charge et le signal MLI générer a fréquence de 2000Hz.
Allure de courant et de tension Pour les deux autres phases le même principe que la première phase.
1.3. Simulation avec signal porteuse égale à 4000Hz
Figure 43: allure de courant et de tension pour la première phase de la charge et le signal MLI générer a fréquence de 4000Hz.
Allure de courant et de tension pour les deux autres phases le même principe que la première phase.
2. Interprétation des résultats
D’après les résultats de Simulation on remarque :
L’augmentation de l’indice de modulation « m » permet de repousser les harmoniques de la tension de phase vers les fréquences très élevées.
Pour un indice de modulation « m » impair, on trouve seulement les harmoniques impairs et qui se regroupent autour des familles mf, 2mf, 3mf …….etc.
Pour un indice « m » multiple de trois, on remarque qu’on aura seulement les harmoniques impairs et qui ne sont pas multiple de 3.
La variation de l’amplitude de l’harmonique fondamental ne dépend pas de la variation de l’indice de modulation « m ».
La MLI sinusoïdale triangulaire permet de faire varier la valeur du fondamentale de la tension de sortie.
Les harmoniques de rang 3 ou multiple de 3 sont supprimées dans la tension de sortie.
L’augmentation de l’indice de modulation « m » rejette les premiers harmoniques non nuls vers des fréquences élevées, et facilite donc le filtrage.
L’apparition du déchet de tension.
Figure 44: Tension entre de phase avec fréquence de porteuse triangulaire égale à 500 Hz.
Figure 45: Tension entre deux phases avec fréquence de porteuse triangulaire égale à 1000 Hz.
Figure 46 : Tension entre deux phases avec fréquence de porteuse triangulaire égale à 2000 Hz.
Figure 47: Tension entre deux phases avec fréquence de porteuse triangulaire égale à 4000 Hz.
Figure 48: Tension entre deux phases avec fréquence de porteuse triangulaire égale à 6000 Hz.
Conclusion
Ce chapitre a été dédié à la présentation des résultats de simulation par PSIM de onduleur triphasé réalisé, nous ont permis de confirmer et tester avec une charges (RL), L’association de ce onduleur avec l’introduction de la carte de commande (ARDUINO), programmable en logiciel ARDUINO C a permis la simplification de la mise en œuvre de l’algorithme de la commande MLI sinusoïdale triangulaire.
Chapitre 4 : Conception du variateur de vitesse
Introduction
Dans ce chapitre,nous présentons la méthode de la conception qui est composé de quatre circuits fondamentaux, le signal de commande passe à travers l’optocoupleur, qui assure l’isolation entre la carte ARDUINO UNO et le circuit de commande, le signal commande le circuit de la tension élevée (la partie puissance de l’onduleur).
Le DRIVER (IR2112) transforme le signal de commande pour attaquer les MOSFETS.
Nous allons varier la vitesse de moteur asynchrone triphasée en alimentant son stator avec des tensions et fréquences variables, à partir du réseau triphasé à tension et fréquence fixes, et en attaquant l’onduleur avec une commande MLI qu’on a créé avec une carte ARDUINO UNO.
Le module de variation de vitesse réalisé est composé de deux blocs principaux : Bloc de commande:on peut décomposer ce bloc en trois partiesEssentielles :
Partie alimentation.
Partie génération et adaptation des signaux de commande MLI.
Partie isolation et commande de MOSFET.
Bloc de puissance(onduleur triphasé).
1. Circuit de commande de l'onduleur triphasé 1.1.Partie alimentation
Dans la carte d’alimentation de la carte d’isolation et commande des MOSFET, nous avons utilisé des régulateurs 7805, 7815 pour avoir les tensions successives 5V, 15V stables.
Cette carte offre une tension continue nécessaire pour cettecarte.
En effet, toutes les cartes nécessitent une alimentation de cette dernière sauf la carte de puissance car elle demande de fort courant avec tension alternative.
L’utilisation des capacités de filtrage est nécessaire à la sortie et l’entrée du redresseur monophasé utilisé, les redresseurs sont branchés à une tension monophasée.
Le transformateur :
Dans le but d’avoir une alimentation continue (+5 V) et une alimentation (+15 V), Nous avons opté pour un transformateur de 220V/17V
La partie redressement :
Le redressement bi alternance est obtenu à partir de la tension alternative 6V et 15V aux bornes du secondaire des transformateurs, une tension unidirectionnelle.
Pour ce faite on a choisi un pont redresseur de moyenne puissance.
La partie filtrage :
Le but du filtrage est de donner une tension sensiblement continue, le redressement étudie précédemment nous a permis de convertir une tension alternative sinusoïdal en une tension redressée.
Cette tension comprend une composante alternative à laquelle est superposée une composante alternative, pour obtenir une tension continue de valeur efficace sensiblement constante il faut bloquer la composante alternative ou au moins la réduire, c’est le rôle du filtre capacitif qu’on a utilisé.
La partie régulation :
La stabilisation des tensions positive est réalisée par les régulateurs de tension 7805 et 7815.
Les circuits intégrés utilisés dans notre circuit sont sensibles aux fluctuations du réseau, dans ce cas il est nécessaire de prévoir une régulation.
Protection après régulation :
Les condensateurs sont usuellement utilisés pour la protection en courant contre les courts circuits et les fortes dissipations, donc une bonne régulation permet d’éliminer toute variation éventuelle de la tension.
Les avantages que présenter les régulateurs sont :
La limitation interne du courant de sortie, excluant toute destruction par surcharge ou court-circuit.
La limitation interne de la température de jonction en cas d’appel excessif de puissance, ou d’un refroidissement insuffisant.
L’extrême simplicité d’emploi due au nombre réduit des composants extérieurs nécessaires.
Figure 49: Carte d’alimentation de circuit d’isolation et commande de MOSFET sur ISIS
Figure 50: schéma de carte d’alimentation schéma ares
Figure 51:Schéma 3D de la carte d'alimentation
1.2. Partie génération et adaptation des signaux de commande MLI
Pour générer des signaux de commande, et les transmettre, nous avons utilisé une carte ARDUINO UNO, dont les Timers et les sorties numériques sont assez suffisantes.
Avec cette carte on a pu créer une commande à modulation de largeur d’impulsions (MLI) ou (PWM) pour chaque bras d’onduleur dans notre circuit ci-dessous le carte ARDUINO
UNOgénère trois signaux MLI qui vent attaqué les onduleurs afin d’adapter ces signaux de commande.
Figure 52: carte de commande, génération et adaptation des signaux de commande MLI
Figure 53: Schéma Ares de la carte de commande, génération et adaptation des signaux MLI
Figure 54: Schéma 3D
1.3.Partie isolation et commande de MOSFET
Un signal d’entrée généré par l’ARDUINO est de type logique 5v, il va attaquer les optocoupleurs, qui vont séparer la partie commande et la partie puissance du circuit.
Six signaux sont complémentaires, chaque deux signaux attaquent un driver qui va amplifier le signal jusqu’à 15v, pour pouvoir commander les transistors de l’onduleur comme le montre le schéma ci-dessous.
Figure 55: schéma fonctionnelle de variateur de vitesse
Dans cette partie on va réaliser un montage qui va faire la conversion numérique analogique D’impulsion générée par la carte ARDUINO UNO et assurer la tension suffisante pour attaquer la grille des MOSFETs de notre carte.
1.3.1. Les composants de la partie isolation et commande de MOSFET
Les composants utilisés pour la réalisation de la carte de commande et isolation, sont présentés ci-dessous :
1.3.1.1. DRIVER (IR2112)
L'IR2113 (IRF2113 de International Rectifier) c’est un circuit intégré (voir la Figure 37) à grande vitesse, constitué 14 pins, il ya deux pin utilisé pour garantir une impulsion suffisante pour commander un transistor MOSFET ou un IGBT de la parte puissance, la figure 37 présente un Synoptique simplifié de fonctionnement du circuit IR2112 dans sa mise en œuvre.
Figure 56: Synoptique simplifié de fonctionnement
Dans la plupart des convertisseurs de puissance, les composants de puissance MOSFET et IGBT sont pilotés par des DRIVER, celles-ci doivent assurer plusieurs fonctions :
La commande des instants de commutations (PWM).
L’alimentation de la grille du composant de puissance.
Le Driver est un circuit intégré qui permet le pilotage en haute fréquence de deux MOSFET ou de deux GBT, sous des tensions pouvant atteindre 600v, en garantissant l'isolation électrique de chaque étage.
Nous choisissons d’utiliser un circuit intégré spécialisé, le Driver IR2112 fabriqué par (International Rectifier).
Notre circuit constitue de trois drivers permettant le pilotage des six MOSFETS, comme les deux transistors d’un même bras sont des « canal N », il est nécessaire de disposer d’une commande « flottante » (c- à-d. qui ne soit pas liée à un potentiel fixe du circuit) pour les transistors « du haut » (c.-à-d. celui dont le drain est connecté au positif de l’alimentation de puissance), celui du haut pouvant être porté à une tension de 500V ce qui est nettement plus que ce qui nous est nécessaire, l’alimentation de la logique de commande de ces transistors est réalisée par une technique dite de « bootstrap » : l’électronique de commande des transistors MOS de puissance du haut est alimentée par les condensateurs (figure 38 )dont la recharge est assurée par connexion à l’alimentation 15V pendant le l’axe de temps où le transistor du bas conduit, ce condensateur étant ensuite déconnecté pour servir l’alimentation autonome lorsque le transistor du haut et son électronique de commande se trouvent portés au potentiel haut de la source. Ce circuit constitue aussi un système de protection son rôle est de bloquer le fonctionnement du circuit de commande en cas ou la tension d’alimentation +15 diminue (dessous de 10V), et il surveille le courant de charge de l’onduleur coté continu donc il protège le circuit de puissance contre les surintensités de défaut. Les impulsions complémentaires avec un décalage nommé ‘Dead time’ (pour éviter la conduction de deux interrupteurs d’un seul bras au même temps il est d’ordre des microsecondes), le décalage entre l’impulsion d’interrupteurs.
Figure 57: Connexion du driver IR2112
1.3.1.2.OPTOCOUPLEUR HCPL2630
Un coupleur optique est un composant de l’électronique de commande permet de réaliser un isolement galvanique vis-à-vis de la change (circuits de la puissance) ou d’une ligne de transmission de données.
Il s’appelle un coupleur optique ou photo coupleur (optocoupleur ou optoisolation) est constitué d’un émetteur (DEL: diode électroluminescent), d’un récepteur (photodiode, phototransistor, photothysistor, phototriac), dans ce travail en utilise le type HCPL2630 pour assurer l'isolation galvanique entre le circuit de commande et celui de puissance pour la protection du circuit, le schéma interne de HCPL2630 est représenté sur la Figure 39.
Figure 58: Le schéma de HCPL2630
1.3.2.Conception de la carte d’isolation et commande de MOSFET
On a utilisé le logiciel ISIS et PCB lay-out pour tracer le circuit de commande.
Figure 59: Schéma de carte isolation et commande de MOSFET sur Isis
Figure 60: Carte d’isolation et commande de MOSFET sur ares
Figure 61: Schéma 3D
2. Circuit de puissance de l'onduleur triphasé Le bloc de puissance comporte:
Un pont à six transistors de puissance, on choisit d’utiliser des MOSFET de type IRFP460, ils sont capables de tenir une différence de potentiel de 500V entre drain et la source (VDSS) et un courant de drain de 20A (ID), Ces transistors seront identifiés Q1, Q2…Q6 sur le schéma complet, les grilles des transistors seront commandées chacune par l’intermédiaire d’une résistance ont la valeur nominale est référencée par le constructeur est de 10kΩ, Cette résistance a pour effet de ralentir certaines phases de la commutation de façon à obtenir un compromis entre dV/dt maximum et pertes par commutation. On notera que, dans les conditions de fonctionnement qui seront les nôtres la tension de grille nécessaire à la mise en conduction d’un transistor est 15V (VGS).
Diodes de ROUE LIBRE on antiparallèles au transistor MOS a but d’assurer la continuité de courant.
Radiateur
Source d’alimentation continue.
Carte d’alimentation continue d’onduleur triphasé :
Figure 62: Schéma de Carte d’alimentation d’onduleur triphasé sur Isis
Figure 63 : Schéma de carte d’alimentation d’onduleur triphasé sur ares
Figure 64: Schéma 3D
En commençant par la présentation des différents composants intervenants dans sa conception, comme vu dans le chapitre précédent la partie puissance comporte six MOSFET, monter au dos de chaque MOSFET un radiateur, et protégé ce dernière par son propre réseau RCD.
2.1. Choix d'interrupteur
2.1.1. Caractéristique statique de l’interrupteur
Le raisonnement qui permet de déterminer les caractéristiques statique des interrupteurs nécessaires pour un onduleur de tension. Le convertisseur DC/AC réversible en courant, il s’agissait de pouvoir assure la circulation d’un courant aussi bien négatif que positif dans la source courant noté que le courant changé le signe périodiquement suivant la fréquence (la valeur moyenne nul), les deux contrainte imposer l’interrupteur choisis (Figure 44 ) unidirectionnel en tension, bidirectionnel en courant.
