Etude du couple électromagnétique d’un moteur asynchrone triphasé alimenté par un onduleur

(1)

REPUBLIQUE DU BENIN **************

MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE

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UNIVERSITE D’ABOMEY-CALAVI (UAC) *************

ECOLE POLYTECHNIQUE D’ABOMEY-CALAVI (EPAC)

*************

Département de Génie Electrique Option : Energie Electrique

*************

MEMOIRE DE FIN DE FORMATION POUR L’OBTENTION DU DIPLOME D’INGENIEUR DE

CONCEPTION EN ENERGIE ELECTRIQUE.

6

^ème

PROMOTION

Présenté et soutenu par : Sous la direction de :

ATTIOGBE Rodrigue Abraham Abel Mahunan Dr. Robert HANGNILO

Devant le jury composé de :

Président : Dr. Ramanou BADAROU Enseignant à l’EPAC

Membre : Dr SOSSOU Vincent HOUNDEDAKO Enseignant à l’EPAC

Membre : Dr. François-Xavier FIFATIN Enseignant à l’EPAC

Thème

Etude du couple électromagnétique d’un moteur asynchrone triphasé alimenté par un onduleur

multiniveaux de type RBNPS.

Année Académique : 2012 - 2013

(2)

Mémoire d’Ingénieur de Conception en Energie Electrique.

Rédigé par : Rodrigue A. A. Mahunan ATTIOGBE EPAC/ Génie Electrique 6^ème Promotion i

Sommaire

Sommaire ... i

Dédicaces ... ii

Remerciements ... iii

Liste des sigles et acronymes ... vi

Liste des figures ... x

Liste des tableaux ... xiv

Résumé ... xv

Abstract ... xvi

Introduction Générale ...1

1. Premier chapitre : Etude et modélisation sous Matlab/Simulink du moteur asynchrone triphasé...3

2. Deuxième chapitre : Etude des convertisseurs (onduleurs) multiniveaux, différentes topologies existantes et raisons du choix de l’onduleur multiniveaux monophasé a structure RBNPS...14

3. Troisième chapitre : Etude de l’onduleur multiniveaux à structure RBNPS, principe de sa commande et sa modélisation sous forme d’un programme sous MATLAB. ...27

4. Quatrième chapitre : Résultats ...59

Conclusion Générale ...74

Références Bibliographiques ...76

Annexes ...81

Table des matières ...86

(3)

Dédicaces

Rédigé par : Rodrigue A. A. Mahunan ATTIOGBE EPAC/ Génie Electrique 6^ème Promotion ii

Dédicaces

Je dédie ce travail à :

ü L’Eternel des armées le Dieu tout puissant, le Seigneur de mon salut, mon bouclier, ma forteresse!!!

Dans ton infini amour tu m’as accordé la grâce de fréquenter cette prestigieuse école où tu as été avec moi durant tous les instants de ma formation en m’accordant l’intelligence, l’assistance et la sagesse nécessaires à la réussite de ma formation! Reçois par cette présente, ma profonde gratitude. Tu seras toujours mon Dieu ! Merci Papa Yahvé !!!

ü Mes très chers parents M.ATTIOGBE Michel et Mme ATTIOGBE Geneviève née ANIWANOU, vous êtes pour moi une source d’inspiration et de motivation au travail. Recevez mes sincères reconnaissances et remerciements pour tous les soutiens dont vous m’avez gratifiés depuis ma naissance jusqu’à ce jour. Daignes Dieu vous protéger et vous le rendre au centuple. Soyez bénis !!!

ü A M.AGOSSOU, Douanier de l’état béninois à la retraite. Pépé ! le bienfait n’est jamais perdu. Merci pour tout ce que vous avez eu à me faire ; vous resterez gravé dans ma mémoire. Soyez bénis !!!

Dédicaces

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Rédigé par : Rodrigue A. A. Mahunan ATTIOGBE EPAC/ Génie Electrique 6^ème Promotion iii

Remerciements

Je tiens à adresser mes sincères remerciements à l’endroit:

ü du Pr. Félicien AVLESSI, Directeur de l’Ecole Polytechnique d’Abomey- Calavi (EPAC) ;

ü du Pr. Clément BONOU, Directeur Adjoint de l’EPAC ;

ü du Dr. François-Xavier FIFATIN, Chef de département du génie électrique ;

ü de mon Maître de mémoire, le Dr Robert HANGNILO pour toute l’attention qu’il a porté à ce travail, pour la disponibilité et le suivi dont il a fait preuve tout au long de ce travail ;

ü du feu Dr Sèmiyou ADEDJOUMA, Ex Directeur du Laboratoire d’Electrotechnique et d’Informatique Appliquée (LETIA) pour ses conseils et pour nous avoir mis dans de bonnes conditions de travail dans son laboratoire au cours de notre stage;

ü De tous mes professeurs, je veux nommer : M. Vincent S.

HOUNDEDAKO, M. François FIFATIN, M. Léopold DJOGBE,

M. Antoine VIANOU, M. Luc NASSARA, M. Ramanou BADAROU, M.

Léonard MONTEIRO, M. Basile DEGBO, M. Théophile C. HOUNGAN pour les efforts qu’ils ont consentis à ma formation et pour leurs conseils avisés ;

Remerciements

(5)

Remerciements

Rédigé par : Rodrigue A. A. Mahunan ATTIOGBE EPAC/ Génie Electrique 6^ème Promotion iv ü De tout le personnel du LETIA en particulier l’Ing. MITOKPE Cyriaque,

pour tout le soutien moral et matériel dont ils ont fait preuve quand nous avions eu besoin d’eux.

ü De tous mes camarades de promotions, pour l’atmosphère de fraternité qui a régné entre nous durant toute la durée de notre formation ; ü De tous les enseignants du secondaire et du primaire qui ont eu à

m’instruire, Recevez par cette présente ma profonde reconnaissance ; ü De tous le personnel du Groupe Polytechnique la conscience, pour

tous leurs soutiens indéfectibles ;

ü De M.GUEMON Pierre, de M. TOKPLO Cyril, de M.ADJAKPONTO Josias , de M.FANA Jacob, de M. SODONON Antoine et des

Ingénieurs SEBOCA Julien, TOSSOU Etona, SAMBA

Esaîe, TOGBONON Apollinaire, KOUMONDJI Boris, HOUNTONDJI Maxime , IDOSSOU Briand pour tous leurs divers soutiens ; en vous j’ai trouvé le sens de la vraie amitié;

ü De M.DAKE Charles, Fonctionnaire à la SBEE, et à son épouse pour tous leurs soutiens ;

ü De mes frères ATTIOGBE Yves, ATTIOGBE Jules, ATTIOGBE Parfait et en particulier ATTIOGBE Fréjus Gildas, seul le travail est libérateur !!!;

ü De mes sœurs ATTIOGBE Nadia et ATTIOGBE Lucresse et notre grande sœur ATTIOGBE Solange ; merci pour tous vos soutiens !!! ;

(6)

Rédigé par : Rodrigue A. A. Mahunan ATTIOGBE EPAC/ Génie Electrique 6^ème Promotion v ü De ma Grande mère Mme ANIWANOU Marie-Reine née HOUNKPE,

merci pour tous tes soutiens et tes bienfaits à mon égard. Daignes Dieu te protéger et te bénir ;

ü De Mes tantes, oncles, cousins en particulier M. ATTIOGBE François et cousines dont les soutiens ne m’ont jamais fait défaut !

(7)

Liste des sigles et acronymes

Rédigé par : Rodrigue A. A. Mahunan ATTIOGBE EPAC/ Génie Electrique 6^ème Promotion vi

Liste des sigles et acronymes

v BNPS Bidirectional Neutral Point Switche v ∆ La largeur de la bande d’hystérésis v ⃗ Le champ magnétique

v 1 ⃗; 2 ⃗; 3 ⃗ Les trois champs magnétiques créés sur le réseau triphasé

v C Valeurs de la capacité du condensateur du transformateur monophasé.

v CBT Configuration Basse Tension v CHT Configuration Haute Tension

v cosφ Le facteur de puissance du moteur.

v Cem Le couple électromagnétique Cem du moteur en N.m v Cres Couple résistant en N.m

v Cu Couple utile Cu en N.m

v Cu Le couple utile déploié par le rotor v [C] La matrice de CLARKE

v [C] L’inverse de la matrice de CLARKE v D1H et D1B Diodes

v (d, q) Système d’enroulements orthogonaux d’axes direct d, quadrature q

v f Fréquence d’alimentation du moteur v La fréquence de commutation

v La fréquence de commutation maximale

Liste des sigles et acronymes

(8)

Rédigé par : Rodrigue A. A. Mahunan ATTIOGBE EPAC/ Génie Electrique 6^ème Promotion vii v FC Les onduleurs à cellules imbriquées ou Flying Capacitor v g Le glissement

v GTO Gate Turn- Off Thyristor v IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor v is Courant dans la charge

v ir Le courant de référence

v ia,ib,ic Courants des phases a,b,c du moteur

v isd,isq ,ish Courants statoriques sur l’axe (d,q,h) v Ird,irq ,irh Courants rotoriques sur l’axe (d,q,h) v I Le courant de ligne

v ISH Seuil haut de la bande d’hystérésis v ISB Seuil bas de la bande d’hystérésis v J Moment d’inertie en kg.

v L L’inductance de lissage du convertisseur v LETIA Laboratoire D’Electrotechnique, de

Télécommunication et d’Informatique Appliquée v Lr Inductance rotorique

v Lm Inductance mutuelle

v Ls Inductance statorique v MAS Moteur Asynchrone v MCT Mos Controlled Thyristor

v MLI Modulation par largeur d’impulsion v MOS Metal Oxyde Semi- Conductor v n Valeur du rapport de transformation du

transformateur monophasé.

(9)

Liste des sigles et acronymes

Rédigé par : Rodrigue A. A. Mahunan ATTIOGBE EPAC/ Génie Electrique 6^ème Promotion viii v ns Vitesse de rotation de synchronisme du champ tournant (tr.s^-1).

v N Vitesse de rotation du rotor (tr.s^-1).

v NPC Neutral-Point-Clamped Converter v η Le rendement d’un MAS triphasé v P Les correcteurs Proportionnelle

v PI Les correcteurs Proportionnelle - Intégré v PD Les correcteurs Proportionnelle- Dérivé

v PID Les correcteurs Proportionnelle- Intégrateur – Dérivé v PJS Les pertes par effet Joule au stator

v La puissance électrique absorbée du réseau par le moteur v Pc Les pertes constantes

v Pem La puissance électromagnétique transmise au rotor v Pfr Les pertes fer du rotor

v Pfs Les pertes fer au stator

v PJr Pertes par effet Joule au rotor

v Prot Les Pertes mécaniques rotationnelles v Ptr La puissance transmise dans l’entrefer v La puissance utile mécanique du moteur

v P(θ) La matrice de passage du référentiel 120° au référentiel orthogonal

v [ ( )] La matrice de passage du référentiel orthogonal au référentiel 120°

v r La résistance de chaque enroulement v R La résistance entre deux bornes.

v Rr Resistance d’une phase du rotor

(10)

Rédigé par : Rodrigue A. A. Mahunan ATTIOGBE EPAC/ Génie Electrique 6^ème Promotion ix v Rs Resistance d’une phase du stator

v RBNPS Reduced Bidirectional Neutral Point Switched v SMC Stacked Multicell Converter

v TDH Taux de Distorsion Harmonique v TjH, TjB Transistors

v La tension aux bornes de l’inductance

v Niveaux de tension aux bornes de l’inductance(k est le numéro de la configuration que prend le convertisseur) v Vr La tension de référence

v V sd, Vsq Tensions statoriques sur l’axe (d,q) v V rd, Vrq Tensions rotoriques sur l’axe (d,q) v ωs Vitesse synchrone

v ωr Vitesse du champ v ω Vitesse de rotation

v φsd Flux d’induction sur l’axe d v φsq Flux d’induction sur l’axe q v ; Les flux rotorique transformées

v φ Déphasage entre le courant et la tension du moteur v Ψ(t) La valeur de l’énergie instantanée conditionnée par

l’inductance

v Ω La vitesse du champ tournant statorique en rad/s.

v Ω La vitesse de rotation du rotor

v θ L’angle électrique entre la phase ‘’a ‘’ de l’enroulement 120°

(stator ou rotor) et l’axe direct ‘’ d’’ du référentiel orthogonal

(11)

Liste des figures

Rédigé par : Rodrigue A. A. Mahunan ATTIOGBE EPAC/ Génie Electrique 6^ème Promotion x

Liste des figures

Figure 1. 1 : Schéma de principe du moteur Asynchrone……….5

Figure 1. 2 : Principe de fonctionnement du MAS ...5

Figure 1. 3 :Champ magnétique résultant tournant créé par un réseau triphasé ...6

Figure 1. 4 : Schéma du moteur asynchrone triphasé montrant son principe de fonctionnement ...7

Figure 1. 5 : Bilan de puissance du MAS triphasé ...7

Figure 1. 6 : Modèle de Park du moteur asynchrone ...8

Figure 1. 7 : Modèle de simulation numérique sous Matlab/Simulink du MAS Triphasé ...13

Figure 2. 1 : Principe de l’onduleur multiniveaux ...16

Figure 2. 2 : Existence d’un niveau indéfini ...19

Figure 2. 3 : Schéma d’une branche d’onduleur multiniveaux à cellules imbriquées ...20

Figure 2.4 :Onduleur SMC 5 niveaux à 2 cellules, 2 étages. ...22

Figure 2. 5 :Onduleur à convertisseurs cascadés. ...22

Figure 2. 6 :Onduleur MLI à deux créneaux par alternance ...23

Figure 2. 7 :Onduleurs multiniveaux à structure RBNPS ...23

Figure 3. 1 : Onduleur multiniveaux monophasé à structure RBNPS ...29

Figure 3. 2 Condition d’ouverture et de fermeture d’interrupteur dans le cas du contrôle par courant instantané ...30

(12)

Rédigé par : Rodrigue A. A. Mahunan ATTIOGBE EPAC/ Génie Electrique 6^ème Promotion xi

Figure 3. 3 : La bande d’hystérésis ...35

Figure 3. 4 : Configuration A ...37

Figure 3. 5 : Configuration B ...37

Figure 3. 6 : Configuration C ...38

Figure 3. 7 : Configuration D ...38

Figure 3. 8 : Configuration A’ ...39

Figure 3. 9 : Configuration B’ ...39

Figure 3. 10 : Configuration C’ ...40

Figure 3. 11 : Configuration D’ ...40

Figure 3. 12 : Bloc de détermination des périodes de commutation...44

Figure 3. 13 : Séquences des périodes de commutation………... 44

Figure 3. 14 : Contrôleur d’hystérésis ...45

Figure 3. 15 : Bloc de réalisation des lois de la commande de l’onduleur ...47

Figure 3. 16 : Détermination de la fréquence de commutation ...48

Figure 3. 17 : Partage des technologies d’interrupteurs selon la puissance de l’application et la fréquence de commutation ...52

Figure 3. 18 : Signaux de commandes des six IGBT ...53

Figure 3. 19 : Circuit de puissance de l’onduleur………..53

Figure 3. 20 : Convertisseur de nombre de phases ...55

Figure 3. 21 : Courant de sortie de la phase a ...56

Figure 3. 22 : Courant de sortie de la phase b ...56

Figure 3. 23 : Courant de sortie de la phase c ...56

Figure 3. 24 : La tension de sortie dans ...57

Figure 3. 25 : La tension de sortie dans la phase b ...57

Figure 3. 26 : La tension de sortie de la phase c ...57

(13)

Liste des figures

Rédigé par : Rodrigue A. A. Mahunan ATTIOGBE EPAC/ Génie Electrique 6^ème Promotion xii Figure 3. 27 : Les tensions de sortie des trois phases ...57

Figure 4. 1 : Schéma illustrant le courant dans la charge par phase, évoluant dans la bande d’hystérésis……….. 61 Figure 4. 2 : La tension de sortie des trois phases ...61 Figure 4. 3 : Three phases sources ...62 Figure 4. 4 : Schéma bloc du MAS triphasé alimenté par l’onduleur multiniveaux RBNPS ...63 Figure 4. 5 : Couple électromagnétique du MAS triphasé alimenté ...63 Figure 4. 6 : Couple électromagnétique du MAS triphasé alimenté par l’ensemble onduleur multiniveaux monophasé RBNPS- Convertisseur de nombres de phases. ...64

Figure 4. 7 : Couple électromagnétique du MAS triphasé alimenté par

l’ensemble Onduleur multiniveaux monophasé RBNPS- Convertisseur de nombres de phases et celui alimenté par le réseau. ...64 Figure 4. 8 : Vitesse du MAS triphasé alimenté par le réseau. ...65

Figure 4. 9 : Vitesse du MAS triphasé alimenté par l’ensemble onduleur multiniveaux monophasé RBNPS- Convertisseur de nombres de phases. ...65

Figure 4. 10 : Vitesse du MAS triphasé alimenté par l’ensemble onduleur multiniveaux monophasé RBNPS- Convertisseur de nombres de phases et celle alimentée par le réseau. ...65 Figure 4. 11 : Ensemble source triphasé –MAS triphasé-Correcteur PID ...69 Figure 4. 12 : Couple électromagnétique du MAS triphasé alimenté par le réseau puis corrigé par un correcteur de type PID. ...69

(14)

Rédigé par : Rodrigue A. A. Mahunan ATTIOGBE EPAC/ Génie Electrique 6^ème Promotion xiii Figure 4. 13 : Vitesse du MAS triphasé alimenté par le réseau puis corrigé par un correcteur de type PID. ... 69 Figure 4. 14 : Vitesse du MAS triphasé alimenté par le réseau puis corrigé par un correcteur de type PID et celle alimentée par l’ensemble onduleur multiniveaux monophasé RBNPS- Convertisseur de nombres de phases. ...70 Figure 4. 15 : Vitesse du MAS triphasé alimenté par le réseau; celle corrigée par un correcteur de type PID et celle alimentée par l’ensemble onduleur multiniveaux monophasé RBNPS- Convertisseur de nombres de phases. ...70 Figure 4. 16 : couple électromagnétique du MAS triphasé alimenté par le réseau puis corrigé par un correcteur de type PID et celui alimenté par le biais de l’onduleur multiniveaux monophasé à structure RBNPS. ...71 Figure 4. 17 : Couple électromagnétique du MAS triphasé alimenté par le réseau ; celui corrigé par un correcteur de type PID et celui alimenté par le biais de l’onduleur multiniveaux monophasé à structure RBNPS. ...71

(15)

Liste des tableaux

Rédigé par : Rodrigue A. A. Mahunan ATTIOGBE EPAC/ Génie Electrique 6^ème Promotion xiv

Liste des tableaux

Tableau 2. 1 : Etat de l’onduleur NPC à trois niveaux ...19

Tableau 2.2 : Résultat de l’étude comparée du comportement des onduleurs MLI classique et RBNPS………25

Tableau 3. 1 : Récapitulatif des tensions aux bornes de l’inductance ...41

Tableau 3. 2 : configurations des phases de croissance et de décroissance du courant ...42

Tableau 3. 3 : caractérisation des périodes de commutation ...43

Tableau 3. 4 : les lois de commande des interrupteurs...46

Tableau 3. 5 : les différentes expressions de . / − ...50

Tableau 4. 1 : Etude comparative du couple électromagnétique d’un MAS triphasé alimenté par le réseau et celui alimenté par le biais de l’onduleur multiniveaux à structure RBNPS. ...66

Tableau 4. 2 : Etude comparative du couple électromagnétique d’un MAS triphasé alimenté par le réseau puis corrigé par un correcteur de type PID et celui alimenté par le biais de l’onduleur multiniveaux à structure RBNPS. ..72

(16)

Rédigé par : Rodrigue A. A. Mahunan ATTIOGBE EPAC/ Génie Electrique 6^ème Promotion xv

Résumé

Le but des présents travaux est l’étude du couple électromagnétique d’un Moteur Asynchrone triphasé alimenté par l’onduleur multiniveaux de type RBNPS. De nos jours, les convertisseurs statiques de l’électronique de puissance ont envahi tous les domaines d’applications techniques grâce à leurs efficacités. Parmi les différents progrès technologiques enregistrés figurent l’apparition et le développement de nouvelles structures de convertisseurs notamment les structures multiniveaux. L’onduleur multiniveaux RBNPS auquel est associée une commande par bande d’hystérésis fournit un courant qui évolue dans une enveloppe sinusoïdale imposant ainsi à la charge une absorption sinusoïdale. En outre, Cet onduleur avec son caractère peu polluant influe positivement sur le couple électromagnétique du moteur. En effet, lorsqu’on alimente le moteur par le biais de cet onduleur, on obtient une même valeur permanente pour le couple électromagnétique que dans le cas d’une alimentation sinusoïdale. Le régime transitoire est de courte durée et le taux de distorsion harmonique est faible .Les pertes d’énergie dues aux harmoniques d’une part et d’autre part à un long régime transitoire sont ainsi minimisées. Cet onduleur peut donc être inséré dans les applications industrielles à cause de ses performances économiques et techniques.

Mots clés : Convertisseurs statiques- Onduleur multiniveaux à structure RBNPS- Couple électromagnétique du MAS triphasé- Commande par bande d’hystérésis-Taux de distorsion harmonique.

Résumé

(17)

Abstract

Rédigé par : Rodrigue A. A. Mahunan ATTIOGBE EPAC/ Génie Electrique 6^ème Promotion xvi

Abstract

The purpose of this work is the study of the electromagnetic torque of an asynchronous three-phase motor supply with multilevel inverter RBNPS kind.

Nowadays, static converters power electronics have invaded all areas of technical efficiencies through their applications. Among various technological developments include the emergence and development of new structures of converters including multilevel structures. If some of them promote high switching frequencies other are intended to transfer significant power levels. The multilevel inverter RBNPS which is associated a control hysteresis band supplies a current moving in sinusoidal envelope thus imposing sinusoidal absorption to load. In addition, this inverter with its slightly polluting nature positively influences the electromagnetic torque of the motor.

Indeed, when the motor supplies with the device of this inverter, a constant value is obtained even for the electromagnetic torque in the case of a sinusoidal supply. The transitional regime is in short duration and total harmonic distortion is low .The energy losses due to harmonics on the one hand and on the other a long transitional scheme are minimized. This inverter can be inserted in industrial applications because of its economics and technical performances.

Keywords: Static Converter, structure RBNPS of multilevel Inverter; electromagnetic torque of an asynchronous three-phase motor; command by hysteresis band;

percentage harmonic’s distortion.

Abstract

(18)

Rédigé par : Rodrigue A. A. Mahunan ATTIOGBE EPAC/ Génie Electrique 6^ème Promotion 1

Introduction Générale

Le Moteur Asynchrone (MAS) triphasé tient de nos jours une place prépondérante dans les applications industrielles [17]. Sa durée de vie et sa fatigue mécanique dépendent de la nature de son couple électromagnétique.

La nature du couple électromagnétique d’un MAS triphasé est liée à l’alimentation qu’il reçoit. Le MAS triphasé peut recevoir une alimentation sinusoïdale [17] ou peut être alimenté par le biais d’un convertisseur statique de l’électronique de puissance. Le besoin de maîtriser le transfert de niveaux de puissance électrique de plus en plus importants pour des applications industrielles a favorisé le développement des convertisseurs statiques de l’électronique de puissance [3]. Ces derniers ont envahi tous les domaines d’applications techniques grâce à leurs efficacités. Parmi les différents ordres des progrès technologiques enregistrés figurent l’apparition et le développement de nouvelles structures de convertisseurs [26].Certains d’entre eux favorisent des fréquences de commutation élevées (les MOS et les MCT) ; d’autres sont plutôt destinées à transférer des niveaux de puissance importants (les thyristors, les GTO…) [8]. Parallèlement à l’émergence de ces nouvelles structures, les nouvelles stratégies de commande qui leurs sont associées ont été mises au point et utilisées [23].

Introduction Générale

(19)

Introduction Générale

Rédigé par : Rodrigue A. A. Mahunan ATTIOGBE EPAC/ Génie Electrique 6^ème Promotion 2 Dans le présent document de mémoire nous nous sommes fixés comme objectif d’étudier le couple électromagnétique du MAS triphasé alimenté par l’onduleur multiniveaux de topologie RBNPS ; afin de voir l’impact de cet onduleur sur le MAS triphasé afin de tirer des conclusions relatives aux performances de cet onduleur.

L’étude sera subdivisée en quatre (04) grandes parties que sont : ü Etude et modélisation sous Matlab/Simulink du moteur asynchrone

triphasé.

ü Etude des convertisseurs (onduleurs) multiniveaux, différentes topologies existantes et raisons du choix de l’onduleur multiniveaux monophasé a structure RBNPS.

ü Etude de l’onduleur multiniveaux à structure RBNPS, le principe de sa commande et sa modélisation sous forme d’un programme sous Matlab.

ü _Résultats

(20)

Rédigé par : Rodrigue A. A. Mahunan ATTIOGBE EPAC/ Génie Electrique 6^ème Promotion 3 Premier

chapitre

:

Etude et modélisation sous

Matlab/Simulink du moteur asynchrone triphasé

^.

(21)

Etude et modélisation sous Matlab/Simulink du moteur asynchrone triphasé.

Introduction

Dans les pays industrialisés, plus de 60% de l’énergie électrique consommée, apportée par le courant alternatif, est transformée en énergie mécanique de rotation par des entrainements utilisant des moteurs électriques asynchrones.

Le terme asynchrone étant relatif au fait que la vitesse du rotor est différente de celle du champ tournant.

Le MAS triphasé encore appelé moteur d’induction triphasé (parce que leur principe de fonctionnement est basé sur la tension induite au rotor) est actuellement le moteur électrique dont l’usage est le plus répandu en industrie et dans tout autre domaine de la vie où l’on sollicite de grandes puissances.

Son principal avantage réside dans l’absence de contacts électriques

glissants ce qui conduit à une structure simple, robuste et facile à construire.

Par ailleurs son prix peu élevé, son entretien facile à réaliser et son couple de démarrage élevé font de lui un moteur de choix. Malgré ses multiples avantages, le MAS triphasé présente des inconvénients tels une vitesse qui dépend de la charge, un facteur de puissance cosφ à vide qui est très faible (non réglable), un rendement moins bon.

Pour mieux l’étudier nous allons développer dans ce chapitre son modèle numérique de simulation sous Matlab/Simulink.

(22)

1.1. Schéma de principe du moteur Asynchrone.

Le schéma de principe du moteur Asynchrone peut ètre résumé comme sur la figure 1.1 :

1.2. Principe de fonctionnement du MAS triphasé.

La figure 1.2 illustre le principe de fonctionnement du MAS triphasé.

La circulation d’un courant dans une bobine crée un champ magnétique B (donc un flux magnétique), ce champ est dans l’axe de la bobine, sa direction son sens et son intensité sont fonction du courant I le traversant.

C’est une grandeur vectorielle. Si le courant I est alternatif, le champ

magnétique B varie en sens, en direction avec le courant I. Or pour le MAS triphasé les trois bobines sont disposées dans le stator (qui est relié

directement au réseau) à 120° les unes par rapport aux autres ; trois champs magnétiques variant sont ainsi créés. Compte tenu du courant sur

Figure 1. 1 : Schéma de principe du moteur Asynchrone

Figure 1. 2 : Principe de fonctionnement du MAS

(23)

Rédigé par : Rodrigue A. A. Mahunan ATTIOGBE EPAC/ Génie Electrique 6^ème Promotion 6 le réseau triphasé les trois champs magnétiques sont déphasés (chacun à son tour passe par le maximum).Le champ magnétique résultant est un champ tournant à une fréquence imposée par la fréquence des courants statoriques, c’est-à-dire que sa vitesse de rotation est proportionnelle à la fréquence de l'alimentation électrique. La vitesse de ce champ tournant est appelée vitesse de synchronisme. La figure 1.3 l’illustre :

Ce champ magnétique (statorique) tournant va balayer le rotor en

cage d’écureuil c’est-à- dire ses conducteurs comme l’indique la figure 1.4. Ces derniers (initialement en court-circuit) se verront traverser

par des courants dits de Foucault ; qui circulent dans les anneaux formés par la cage ; les forces de Laplace qui en résultent exercent un couple sur le rotor pour le faire tourner. D’après la loi de Lenz les courants induits s’opposent par leurs effets à la cause qui leur a donné naissance.

Alors le rotor tourne dans le même sens que le champ mais avec une vitesse légèrement inférieure à la vitesse de synchronisme. Le principe de fonctionnement du MAS triphasé se résume à la figure 1.4:

Figure 1. 3 : Champ magnétique résultant tournant créé par un réseau triphasé.

(24)

1.3. Bilan de puissance et rendement du MAS triphasé.

Le rendement d’un MAS triphasé est le rapport entre la puissance utile mécanique qu’il fournit et la puissance électrique qu’il absorbe du réseau, de sorte que :

η = (1.1)

Le bilan de puissance se présente à la figure 1.5 comme suit :

Figure 1. 5 : Bilan de puissance du MAS triphasé

Figure 1. 4 : Schéma du moteur asynchrone triphasé montrant son principe de fonctionnement

(25)

1.4. Modèle numérique du moteur asynchrone triphasé

Dans cette partie nous aurons à élaborer le modèle numérique de simulation du moteur asynchrone triphasé sous Matlab/Simulink et ceci après avoir établi les différentes équations de modélisation d’un tel moteur dans un système d’axes orthogonaux (d, q).

1.4.1. Modélisation du MAS triphasé dans un système d’axes orthogonaux (d, q).

Le schéma du modèle de Park du MAS triphasé est donné à la figure 1.6 :

Figure 1. 6 : Modèle de Park du moteur asynchrone.

Les modèles d’axes orthogonaux permettent d’obtenir un système à coefficients constants en remplaçant le système d’enroulements à 120° par un système d’enroulements orthogonaux d’axes direct d, quadrature q et homopolaire h, tournant à une vitesse ω= , θ étant l’angle électrique entre la phase ‘’a ‘’ de l’enroulement 120° (stator ou rotor) et l’axe direct

(26)

‘’ d’’ du référentiel orthogonal (la phase du stator étant prise comme référence) [17].

Les relations de transformations qui lient de façon générale une grandeur triphasée initiale (tension, courant ou encore le flux) de composantes xa, xb, xc à sa transformée de composantes xd, xq et xh dans le système orthogonal sont :

xdxd

xh = [ ( )] xa

xbxc (1.2) et xa

xbxc = [ ( )] xd

xdxh (1.3) [17]

Où P(θ) est la matrice de passage du référentiel 120° au référentiel orthogonal et [ ( )] celle de passage du référentiel orthogonal au référentiel 120°.[17]

Parmi les principaux modèles d’axes orthogonaux, nous utiliserons pour établir notre modèle de simulation, la transformation de CLARKE ; un cas particulier de la transformation originale de Park plus facile à implanter sous Matlab/ Simulink et qui correspond à un angle de transformation θ=0. La matrice de passage [C] étant donnée par :

[C]=

1 −1/2 −1/2

0 √3/2 −√3/2

1/2 1/2 1/2 (1.4)

et par suite son inverse [C] est :

[C] =

1 0 1

−1/2 √3/2 1

−1/2 −√3/2 1 (1.5)

Ainsi donc on pourra écrire :

(27)

Rédigé par : Rodrigue A. A. Mahunan ATTIOGBE EPAC/ Génie Electrique 6^ème Promotion 10 [Vdqh] = [C] [Vabc] ; (1.6) [17]

[idqh] = [C] [iabc] ; (1.7) [17]

[φ_dqh] = [C] [φ_abc] (1.8) [17]

1.4.2. Equation des tensions

Les équations des tensions du stator sont :

Vsd= Rsisd + –ω_sφ_sq (1.9) [17]

Vsq= Rs isq + - ω_sφ_sd (1.10) [17]

Les équations des tensions au rotor sont :

Vrd= Rr ird+ –ω_rφ_rq=0 (1.11) [17]

Vrq= Rr irq+ - ω_rφ_rd=0 (1.12) [17]

Relation d’autopilotage : ω= ω_s- ω_r (1.13) [17]

En choisissant le référentiel lié au stator c’est-à-dire en prenant ω_s=0 on aura donc ω=- ω_r.

1.4.3. Equations des flux

Les quatre (04) équations des flux sont déduites respectivement des équations de tensions au stator et au rotor ci-dessus énoncées. Ainsi donc on a :

= Vsd - Rs isd (1.14) [17]

= Vsq - Rs isq (1.15) [17]

(28)

Rédigé par : Rodrigue A. A. Mahunan ATTIOGBE EPAC/ Génie Electrique 6^ème Promotion 11 = – Rr ird+ ω (1.16) [17]

= - Rr irq+ ω (1.17) [17]

Les expressions des composantes du flux statorique transformées sont : = Lsisd + Lmird (1.18) [17]

= Ls isq + Lmirq (1.19) [17]

Les expressions des composantes du flux rotorique transformées sont :

= Lr ird + Lmisd (1.20) [17]

= Lr irq + Lm isq (1.21) [17]

1.4.4. Equations des courants.

Les expressions des courants ird, irq, isd et isq se déduisent de celle des flux transformés au rotor et au stator. On a donc, après résolution du système formé par ces équations de flux :

ird= ( - ) ( ) (1.22) [17]

irq = ( - ) ( ) (1.23) [17]

isd= ( - ) ( ) (1.24) [17]

isq= ( - ) ( ) (1.25) [17]

L’équation du couple électromagnétique se présente comme suit :

Cem= Pp ( isq - isd) (1.26) [17]

(29)

Rédigé par : Rodrigue A. A. Mahunan ATTIOGBE EPAC/ Génie Electrique 6^ème Promotion 12 Directement en fonctions des courants on a :

Cem= Pp (ird isq – irq isd) (1.27) [17]

La vitesse de rotation est obtenue par l’expression :

J = Cem - Cres (1.28) [17]

Dans l’étude de la machine asynchrone, on considèrera un couplage étoile à neutre isolé tant au stator qu’au rotor : à tout instant la somme des trois courants est nulle. Il n’y a donc pas de composante homopolaire (sauf en cas de défaut) [17]

Ces équations ainsi établies vont nous permettre d’établir sous Matlab/Simulink le modèle du moteur asynchrone triphasé.

Les tensions Vsd et Vsq sont obtenues par la mise en bloc de fonctions Matlab/Simulink de l’expression (1.6) (Voir annexes).

La modélisation des quatre (04) équations de flux est obtenue par les équations (1.14), (1.15), (1.16) et (1.17) (Voir annexes).

Les courants ird, irq, isd et isq sont réalisés par la mise en blocs des fonctions Matlab/Simulink des expressions (1.22),(1.23),(1.24) et (1.25) (Voir annexes)

Le couple et la vitesse sont donnés par le schéma bloc sous Matlab/

Simulink des expressions (1.26) et (1.28). (Voir annexes ).

Sur la figure 1.7 se trouve le modèle de simulation numérique sous Matlab/Simulink du MAS Triphasé. .

(30)

Figure 1. 7 : Modèle de simulation numérique sous Matlab/Simulink du MAS Triphasé

(31)

ETUDE DES CONVERTISSEURS (ONDULEURS) MULTINIVEAUX, DIFFERENTES TOPOLOGIES EXISTANTES ET RAISONS DU CHOIX DE L’ONDULEUR MULTINIVEAU

MONOPHASE A STRUCTURE RBNPS.

Rédigé par : Rodrigue A. A. Mahunan ATTIOGBE EPAC/ Génie Electrique 6^ème Promotion 14 2. Deuxième chapitre :

Etude des convertisseurs

(onduleurs) multiniveaux, différentes topologies

existantes et raisons du choix de l’onduleur

multiniveaux monophasé a structure RBNPS.

(32)

Introduction

Les onduleurs font partir de la famille des convertisseurs statiques ; Un convertisseur statique joue le rôle d’interface entre source d’énergie électrique et consommateur. Les convertisseurs multiniveaux permettent de délivrer une tension plus élevée et de meilleure qualité que les convertisseurs conventionnels. Leur champ d’application est le domaine des moyennes et hautes tensions à fréquences de pulsation élevées. Constitué d’interrupteurs de puissance, ses caractéristiques de base ne dépendent de quelque façon que ce soit, ni de ces sources, ni du type d’interrupteurs utilisés, ni des applications dans lesquelles il est utilisé, ni même de sa topologie. C’est une matrice d’interrupteurs réalisant la connexion de ses nœuds d’entrée à ses nœuds de sortie, permettant ainsi d’y contrôler le transfert d’énergie.

Lorsqu’il permet de commuter chaque entrée ou sortie entre deux niveaux de tension ou de courant, on parle alors de convertisseur à deux niveaux. Les critères de contrôle du transfert d’énergie en règle générale, dépendent de la nature des sources et des contraintes imposées par l’application.

2.1. Principe des onduleurs multiniveaux.

Depuis plus d’une décennie [26] [2], des techniques de conversions multiniveaux permettent de s’affranchir des problèmes liés à la limite maximale de la tension de blocage des semi-conducteurs de puissance.

Basés sur le principe d’une combinaison série des composants de puissance, les convertisseurs multiniveaux assurent une alimentation haute tension des actionneurs électriques de moyenne et forte puissance. En outre, ces techniques offrent l’avantage d’obtenir un spectre de tension et de courant

(33)

Rédigé par : Rodrigue A. A. Mahunan ATTIOGBE EPAC/ Génie Electrique 6^ème Promotion 16 d’une meilleure qualité. Cela se traduit par de faibles ondulations de courant et de tension et de faibles pertes dues aux harmoniques.

Le principe de fonctionnement d’un onduleur multiniveaux se résume en la figure 2.1 :

Figure 2. 1 : Principe de l’onduleur multiniveaux

2.2. Intérêts des onduleurs multiniveaux.

La valeur limitée de la tension de blocage des interrupteurs réalisables jusqu’à présent est à la base du développement des onduleurs multiniveaux.

Ces derniers permettent d’obtenir une tension de service plus élevée sans recourir à des macro-interrupteurs. Notons aussi que l’adoption d’un convertisseur multiniveaux présente d’autres avantages :

ü La résolution obtenue est plus élevée, le convertisseur est capable de générer plus que deux ou trois niveaux. Le réglage de la tension est plus fin, ce qui permet de réduire les contraintes imposées à la charge qui subit sans cela une tension qui commute entre ses deux valeurs maximales. La taille des filtres passifs parfois nécessaires pour

(34)

Rédigé par : Rodrigue A. A. Mahunan ATTIOGBE EPAC/ Génie Electrique 6^ème Promotion 17 limiter ces sollicitations peut être réduite. Dans le même temps, le système gagne une plus grande dynamique et cela permet un réglage plus rapide.

ü La tension commutée est réduite à la valeur de tension bloquée par ses interrupteurs.

ü Ils présentent un contenu harmonique réduit

ü Ils sont principalement destinés à un fonctionnement sur des

applications hautes tensions (applications ferroviaires ou de réseaux de distribution moyenne tension par exemple avec des tensions de

quelques kilovolts). Différents niveaux de tension peuvent être générés et distribués sur chaque cellule [26]. Des drivers de tension isolés doivent être utilisés sur chaque semi-conducteur de puissance [20].

ü Une augmentation du nombre de niveaux diminue l’amplitude de l’ondulation de la tension de sortie du convertisseur. La variation de tension résultante est N fois plus faible que la tension d’alimentation et de fait plus facile à filtrer, (figure 2-1). La diminution de l’ondulation engendrée par cette méthode diminue par N la section de fer des circuits magnétiques des filtres de sortie et donc la masse du filtrage.

ü D’autre part, la fréquence de pulsation de chacun de ses éléments est plus basse que la fréquence de pulsation apparente de la tension appliquée à la charge. Cela autorise une augmentation de cette fréquence de pulsation qui permet une réduction de la dimension des filtres ou une amélioration de la qualité des signaux filtrés [5].

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Rédigé par : Rodrigue A. A. Mahunan ATTIOGBE EPAC/ Génie Electrique 6^ème Promotion 18 ü Utilisation de composants à calibre plus faible. Par conséquent, ils sont

plus performants avec des phases de commutation plus courtes [26].

Ceci permet de compenser le nombre plus important de composants mis en jeu.

2.3. Différentes topologies d’onduleurs multiniveaux.

Dans cette partie nous aurons à établir les différentes topologies d’onduleurs multiniveaux et ceci en précisant à chaque fois leur principe de base puis l’intérêt pour l’onduleur multiniveaux à topologie RBNPS.

· Les onduleurs multiniveaux à topologie NPC (Neutral-Point- Clamped).

Dans les onduleurs NPC, des diodes connectées aux points milieux des sources de tension protègent les interrupteurs externes contre des tensions excessives. Cette topologie nécessite un contrôle rigoureux des tensions de chaque condensateur et l’équilibrage des tensions devient complexe au-delà de trois niveaux [8]. De plus, le nombre de diodes augmente très

rapidement avec le nombre de niveaux. Cette structure d’onduleur

multiniveaux a été introduite par A. Nabae et H. Akagi en 1981 dans [1].

L’objectif était de réduire l’amplitude des harmoniques injectées par l’onduleur dans la charge pour des applications de type alimentation de moteur.

Principe de base

Dans sa version la plus simple, chaque branche de cet onduleur comporte quatre (04) interrupteurs contrôlables et six(06) diodes, comme représenté à la figure 2.2. Ce montage est alimenté par une tension continue Ue entre les bornes V0 et V2. Les trois(03) états de commutation possibles permettent de délivrer trois(03) niveaux distincts et positifs entre les bornes VS et V0. Chaque branche comporte deux (2) étages constitués

(36)

Rédigé par : Rodrigue A. A. Mahunan ATTIOGBE EPAC/ Génie Electrique 6^ème Promotion 19 chacun de deux (2) interrupteurs de type transistor TjH et TjB avec des diodes antiparallèles. Deux diodes supplémentaires D1H et D1B permettent de relier les étages intermédiaires VH,1 et VB,1 au point milieu V1. La figure 2.2 se présente comme suit :

La commande complémentaire de l’état intermédiaire conduit à lier la sortie Vs au niveau V2 pour un courant rentrant et au niveau V0 pour un courant sortant. Cet état est donc indéfini et par conséquent interdit dans le fonctionnement normal de l’onduleur. Les 3 états de commutation possibles sont résumés dans le tableau 2.1 :

Figure 2. 2 : Existence d’un niveau indéfini

Tableau 2. 1 : Etat de l’onduleur NPC à trois niveaux

(37)

· Onduleurs à cellules imbriquées

Les onduleurs à cellules imbriquées ou Flying Capacitor (FC) (figure 2.3) [3], offrent des cellules totalement indépendantes, et la

particularité de jouer sur un degré de liberté supplémentaire, en particulier le déphasage. Ainsi, certaines stratégies de commande peuvent utiliser ce

déphasage pour décaler légèrement les commandes des deux cellules et éviter la sommation des dV/dt de commutation [26]. C’est aussi un moyen d’équilibrage des tensions aux bornes des capacités. Cette structure a été introduite en 1992 par T. Meynard et H. Foch dans [24].Elle est également connue sous l’appellation « flying capacitors multilevel inverter » dans la littérature anglo-saxonne.

Principe de base

La figure 2.3 illustre le schéma de principe en échelle d’une branche d’onduleur à m cellules imbriquées. Chaque paire d’interrupteurs située sur la même verticale forme une cellule de commutation dont les interrupteurs sont commandés de manière complémentaire. Toutes les combinaisons de signaux

Figure 2. 3 Schéma d’une branche d’onduleur multiniveaux à cellules imbriquées

(38)

Rédigé par : Rodrigue A. A. Mahunan ATTIOGBE EPAC/ Génie Electrique 6^ème Promotion 21 de commande respectant cette complémentarité sont autorisées. Cet onduleur a donc 2 états possibles pour la commande. Dans son fonctionnement habituel, lorsque les tensions aux bornes des condensateurs sont équilibrées, la tension aux bornes du condensateur Ck vaut :

UC,k = Ue (2.1)

Cela implique que chaque interrupteur doit bloquer une fraction de la tension égale au pas de l’onduleur :

Ublocage = UC,k − UC,k−1 = = ΔU (2.2)

· Onduleur SMC

Le fait que le nombre de condensateurs croisse avec le carré du nombre de cellules semble constituer un des principaux inconvénients des onduleurs à cellules imbriquées.

Les onduleurs SMC (Stacked Multicell Converter) ont été introduits par Delmaset al. [18]. Ils sont issus d’un mariage entre le NPC et les onduleurs à cellules imbriquées. L’objectif est de proposer une alternative à ces derniers onduleurs avec moins d’énergie stockée dans les condensateurs en vue d’une réduction de coût et d’encombrement. Cette structure est illustrée à la figure. 2.4. Les onduleurs SMC sont caractérisés par leurs nombres de cellules et d’étages (ou piles pour respecter la terminologie anglo-saxonne). Ce convertisseur avec un seul étage n’est rien d’autre qu’un convertisseur à cellules imbriquées tel que décrit précédemment. Le schéma ci-dessous est celui d’un onduleur SMC 5 niveaux à 2 cellules, 2 étages.

(39)

· Onduleurs à convertisseurs cascadés

L’onduleur à convertisseurs cascadés à la figure 2.5, est basé sur la mise en série d’onduleurs monophasés (en pont en H) et chaque pont est alimenté par une source de tension indépendante isolée. Outre l’avantage d’assurer un équilibrage naturel des tensions, cette structure permet d’alimenter une charge de moyenne ou haute tension à partir de plusieurs sources basse tension. Il est nécessaire dans cette topologie de disposer d’autant de sources que de ponts mis en cascade [8].

Figure 2. 4 : Onduleur SMC 5 niveaux à 2 cellules, 2 étages.

Figure 2. 5 : Onduleur à convertisseurs cascadés

(40)

· Onduleur complet

Cet onduleur présenté à la figure 2.6 possède deux cellules de commutation, qui peuvent fonctionner de manière totalement indépendante l’une de l’autre. Un décalage temporel des ordres de commande de ces deux cellules permet de générer les trois niveaux de tension : -E, 0 et +E.

Figure 2. 6 : Onduleur MLI à deux créneaux par alternance

· L’onduleur multiniveaux à structure RBNPS

Une autre structure d’onduleur MLI monophasé à trois niveaux est l’onduleur à structure RBNPS (Reduced Bidirectional Neutral Point Switched) présenté à la figure 2.7. Cette structure est la forme réduite de la structure BNPS (Bidirectional Neutral Point Switched), [22].

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Rédigé par : Rodrigue A. A. Mahunan ATTIOGBE EPAC/ Génie Electrique 6^ème Promotion 24 Figure 2. 7 : Onduleurs multiniveaux à structure RBNPS

Parmi les structures d’onduleur MLI monophasé à trois niveaux les structures NPC et RBNPS présentent les performances mieux adaptées aux objectifs que nous nous sommes fixés. La structure NPC, avec les interrupteurs connectés en série est généralement réservée aux applications dont la tension est élevée (E ≤ 600V) tandis que la structure RBNPS est réservée aux applications moyennes tensions (E ≤ 400V) comme ici dans notre étude. Nos travaux portent sur les applications moyennes tensions; pour ce faire nous allons faire le choix entre la structure RBNPS et l’onduleur MLI classique.

Le tableau 2.2 nous donne les performances de la MLI classique et de la MLI à structure RBNPS. Ces valeurs sont les résultats de la simulation sous le logiciel SUCESS des deux structures d’onduleur [22].

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Rédigé par : Rodrigue A. A. Mahunan ATTIOGBE EPAC/ Génie Electrique 6^ème Promotion 25 Tableau 2.2 : Résultat de l’étude comparée du comportement des onduleurs MLI classique et RBNPS

Les deux structures ont des comportements satisfaisants. Mais le critère sur la fréquence maximale de commutation, la minimisation des pertes par commutation et le coût de revient des interrupteurs font que la structure RBNPS parait plus avantageuse que onduleur MLI classique. En plus de ces avantages, le MLI à structure RBNPS est moins polluant avec un taux de distorsion harmonique TDH= 0,04 contre 0,05 pour la MLI classique, [22].

Conclusion partielle:

Les onduleurs multiniveaux ne sont pas les seuls convertisseurs statiques nous permettant de réduire les v/ et de conférer aux interrupteurs une meilleure tenue aussi bien en courant qu’en tension pour une plus grande durée de vie. Il est aussi possible d’obtenir le même but à partir des convertisseurs multicellulaires. Ces derniers tout comme les onduleurs multiniveaux, génèrent une tension de sortie multiniveaux, et réduisent les contraintes en tension sur les composants de puissance [24]. Plusieurs brevets ont été déposés à ce sujet [25]. Après le choix convenable de

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Rédigé par : Rodrigue A. A. Mahunan ATTIOGBE EPAC/ Génie Electrique 6^ème Promotion 26 l’onduleur multiniveaux monophasé à topologie RBNPS, il faut pouvoir l’étudier, étudier le principe de sa commande et le modéliser sous forme d’un programme Matlab afin de pouvoir visualiser ses sorties (courants et tensions par phase).

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Rédigé par : Rodrigue A. A. Mahunan ATTIOGBE EPAC/ Génie Electrique 6^ème Promotion 27 3. Troisième chapitre :

Etude de l’onduleur

multiniveaux à structure RBNPS, principe de sa

commande et sa modélisation sous forme d’un

programme sous MATLAB.

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Etude de l’onduleur multiniveaux à structure RBNPS, principe de sa commande et sa modélisation sous forme d’un programme sous MATLAB.

Introduction

Parmi les charges non linéaires polluantes, l’onduleur de tension figure en bonne place. Il est donc indispensable, de choisir à partir de critères assez rigoureux la structure la plus adaptée à nos objectifs, capable de satisfaire sans exagérer les coûts et les normes en vigueur.

L’électronique de puissance offre par contre de nombreuse solutions sous la forme de convertisseurs statiques capables de rendre le courant consommé par la charge sinusoïdal avec un facteur de puissance quasiment unitaire [7] [21] [27] [10] [13] [14] [4].

La comparaison des résultats de la simulation des différentes structures envisageables qui pourraient nous permettre d’atteindre nos objectifs nous a amené à porter notre choix sur la structure RBNPS (Reduced Bidirectional Neutral Point Switched) ; variante de la topologie BNPS (Bidirectional Neutral Point Switched) qui est retenue pour l’étude en cours de développement à cause de ses performances.

Après ce choix de la structure, nous allons étudier les différentes configurations afin d’élaborer un programme sous Matlab de cet onduleur pouvant permettre de simuler ce dernier et de visualiser ses sorties que sont la tension et le courant des trois phases.

(46)

3.1. Principe de fonctionnement de l’onduleur

La structure de l’onduleur multiniveaux monophasé RBNPS est présenté à la figure 3.1 ;

Figure 3. 1 : Onduleur multi niveaux monophasé à structure RBNPS

De façon générale et simple, l’onduleur de la figure 3.1 convertit la tension continue, délivrée par la batterie en une tension alternative. A l’entrée, un diviseur formé de deux condensateurs et de même capacité, divise la tension aux bornes de la batterie en deux tensions et . Les six interrupteurs T1 à T6 conduisent le courant dans les deux sens. Cet onduleur est en mode commandable car les états des six interrupteurs (bloqué ou passant) dépendent d’un signal de commande élaboré par un circuit externe. La disposition actuelle des interrupteurs confère à l’onduleur une structure appelée RBNPS. Avec une telle structure, l’entrée de l’onduleur commute entre trois niveaux de tension (selon que C1 débite seule, C2 débite seule ou que les deux débitent en même temps). En cela, on qualifie cet onduleur d’un convertisseur à trois niveaux. La présence de L’inductance L contribue à l’élaboration des signaux de

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Etude de l’onduleur multiniveaux à structure RBNPS, principe de sa commande et sa modélisation sous forme d’un programme sous MATLAB.

Rédigé par : Rodrigue A. A. Mahunan ATTIOGBE EPAC/ Génie Electrique 6^ème Promotion 30 commande des interrupteurs. En effet cet onduleur est conçu dans le but de faire débiter un courant sinusoïdal.

Pour cela, on oblige le courant réel absorbé par la charge, à suivre une référence sinusoïdale. Autrement dit, on impose à la charge, une absorption de courant sinusoïdale. Cela implique un choix judicieux de la méthode de commande des interrupteurs de cet onduleur.

3.1.1. Description de la méthode de commande des interrupteurs Plusieurs types de commande des interrupteurs peuvent être envisagés en vue de contrôler le courant instantané d’entrée et de sortie. Néanmoins deux modes de contrôle du courant sont le plus souvent envisagés. Il s’agit du mode de contrôle par courant instantané et celui de contrôle par bande ou fenêtre d’hystérésis.

Le mode de contrôle par courant instantané illustré à la figure 3.2, consiste à régler le flux d’énergie vers la charge par la maîtrise à tout instant de la valeur du courant dans l’inductance de lissage L du convertisseur, à fréquence de coupure constant (période T du courant is constante).

T

Le courant (Is) dans l’inductance de lissage (Is)

Figure 3. 2 Condition d’ouverture et de fermeture d’interrupteur dans le cas du contrôle par courant instantané

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Rédigé par : Rodrigue A. A. Mahunan ATTIOGBE EPAC/ Génie Electrique 6^ème Promotion 31 Ce mode de contrôle présente un certain nombre d’avantages dont le plus important est la maîtrise de la fréquence de commutation. Ainsi, le dimensionnement du convertisseur dans ce cas est abordable. Le concepteur, impose une fréquence de coupure des interrupteurs en fonction de la puissance à traiter. La connaissance de la puissance et de la fréquence indique aussitôt la technologie d’interrupteurs à retenir pour l’élaboration de l’étage de puissance du convertisseur (voir figure 3.17).

Par contre, ce mode de contrôle faisant généralement appel à un asservissement, peut conduire à une instabilité de fonctionnement du convertisseur. C’est pour cette raison que nous avons adopté le mode de contrôle par fenêtre d’hystérésis pour la commande des transistors de l’onduleur.

Selon ce mode, le contrôle des interrupteurs se fait à partir de deux modules distincts, celui des tensions et celui du courant. Avec l’étage des tensions, on arrive à opérer une discrimination des intervalles de commutation tandis que le module du courant permet de distinguer la pente montante de la pente descendante du courant.

3.1.2. Grandeurs physiques intervenant dans la commande

Les grandeurs physiques liées à la charge qui interviennent dans la commande sont : la tension aux bornes de la charge que nous désignons par us et le courant dans la charge qui sera désigné par

i

s.

Afin d’obtenir un facteur de puissance unitaire, us et

i

s doivent être en opposition de phase. Ainsi, l’observation de cette condition permet d’avoir le bon fonctionnement du convertisseur. Pour ce faire d’autres grandeurs telles