Etude et simulation deux types de commande de pont redresseurs

redresseur à commande MLI

C’est un convertisseur à modulation de largeur d’impulsion, également appelé redresseur à MLI, utilisant des composants à commutation forcée tel que les IGBT ou les MOSFET. L’utilisation de cette technique permet non seulement de réduire la perturbation harmonique, en prélevant des courants d’allure sinusoïdale mais aussi de contrôler les puissances actives et réactives. [2] Ces convertisseurs peuvent prélever des courants sinusoïdaux sur le réseau alternatif et assurer aussi un facteur de puissance unitaire. Selon le type utilisé, nous distinguons deux structures de redresseurs MLI : [3]

Redresseur MLI de courant qui est illustré dans la figure (I.6).Il assure la conversion d’énergie entre une source de tension alternative et une charge de courant continu. Les interrupteurs sont bidirectionnels en tension mais unidirectionnels en courant. L’utilisation des techniques MLI conduit à un courant alternatif ayant une pollution harmonique contrôlée. Cette structure est souvent affectée à un filtre de second ordre LC du côté alternatif.

Redresseur MLI de tension est illustré sur la figure (I.7).Chaque interrupteur est constitué d’un composant semi-conducteur de puissance (IGBT) et d’une diode en antiparallèle. Cet interrupteur est bidirectionnel en courant et unidirectionnel en tension. Ainsi, ce convertisseur de par sa structure est réversible en courant. Il peut donc contrôler de façon instantanée la forme d’onde des courants prélevés sur le réseau. Il alimente alors une charge (active ou passive) en continu à partir d’un réseau alternatif, le courant absorbé étant sinusoïdal et éventuellement en phase avec la tension réseau correspondante. Ce redresseur MLI permet d’atteindre un facteur de puissance très proche de l’unité et régler, via la commande, la direction du flux de l’énergie réactive : absorbée ou fournie.

On s’intéressera dans la suite de notre travail uniquement à la structure du redresseur MLI de tension, avec différents stratégies de commande permettant le prélèvement des courants sinusoïdaux sur le réseau alternatif et le fonctionnement avec un facteur de puissance unitaire. La source est composée de trois tensions triphasées purement sinusoïdale en série avec une résistance R et une inductance L sur chaque phase. Ces trois tensions de réseaux sont données par la relation : (I.7) Le côté continu de l’onduleur de tension est constitué par un condensateur, et est équivalent à une source de tension. Le redresseur de tension fonctionne en gardant la tension du bus continu à une valeur de référence désirée, en utilisant une commande en boucle fermée. Pour accomplir cette tâche, la tension du bus continu est mesurée et comparée avec une référence , le signal d’erreur produit de cette comparaison est employé pour commuter les six interrupteurs du redresseur à la fermeture et à l’ouverture.

De cette façon, la puissance peut s’écouler dans les deux sens selon les conditions sur la tension du bus continu mesurée aux bornes du condensateur C. La commande MLI non seulement peut contrôler la puissance active, mais également la puissance réactive, ce type de redresseur permet la correction du facteur de puissance. De plus, les formes d’onde des courants de la source peuvent être maintenu comme presque sinusoïdales, ce qui réduit la distorsion de la source. [4] La présence des inductances de couplage est indispensable pour assurer le contrôle des courants absorbés par le redresseur. En effet, quel que soit la technique utilisée pour générer les ordres de commande ( le redresseur peut imposer, de manière indirecte, la forme du courant dans ces inductances en contrôlant les tensions mesurées par rapport au neutre du réseau. En d’autres termes, la variation du courant prélevé définie par en considérant la résistance série interne négligeable, est imposée par la tension appliquée aux bornes des inductances qui est la différence entre la tension réseau et celle à l’entrée du redresseur comme le montre la figure (I.8).Les inductances se comportent aussi comme un filtre passe bas et limitent l’ondulation du courant à la fréquence de commutation. [5]

Cette dernière relation confirme ce que nous venons de dire précédemment, à savoir qu’il est possible de contrôler l’évolution des courants prélevés sur le réseau en agissant sur les ordres de commande. Nous notons également l’existence d’un fort couplage entre ces courants pour la structure retenue dans cette étude (sans fil neutre). De plus, le fonctionnement à facteur de puissance unitaire (la puissance réactive nulle) est obtenu en synchronisant les courants absorbés par rapport aux tensions simples du réseau. D’autre part, la condition pour un fonctionnement valide est donc assurée s’il est possible de contrôler à tout instant, l’état des IGBT. Il faut alors que la tension de sortie, soit supérieure à la valeur de la tension composée maximale par exemple, pour éviter d’avoir le fonctionnement d’un redresseur triphasé à diodes. Conformément aux lois de Kirchhoff, la connexion directe de deux sources de courant est interdite. Alors, l’insertion d’une capacité entre la sortie du redresseur et la charge est indispensable. La tension aux bornes de cette capacité étant unidirectionnelle, la réversibilité en puissance active est assurée par le courant qui est bidirectionnel. Le contrôle de puissance réactive se réalise par ajustement du déphasage du courant fondamental absorbé par rapport à la tension du réseau.

En fonctionnement redresseur, la tension du bus continu n’est plus imposée par une source de tension constante. Toutefois, l’amplitude des courants du réseau ne peut pas être réglée indépendamment de la charge connectée sur le bus continu. En effet, la puissance active échangée avec le réseau est directement fonction de l’amplitude de ces courants. Si la composante active du courant absorbé est trop importante, la tension du bus continu va augmenter jusqu’à atteindre un point d’équilibre correspondant à l’égalité des puissances côté alternatif et côté continu. La tension bus continu peut donc atteindre une valeur inacceptable pour les semi-conducteurs. D’un autre côté, si la composante active et trop faible, le condensateur va se décharger et la tension sur le bus continu descendra jusqu’à la valeur crête de la tension entre phases du réseau. Les diodes en parallèles de l’onduleur conduisent alors comme dans un redresseur classique et il n’est plus possible de contrôler les courants ni d’assurer le prélèvement sinusoïdale. [5] Pour obtenir un bon fonctionnement de l’ensemble, il est indispensable de contrôler la tension du bus continu. Une boucle de régulation de cette dernière doit être mise en place afin de garantir en régime permanent l’égalité des puissances côté alternatif et côté continu. Le schéma équivalent pour le contrôle de cette tension est illustré sur la figure(I.9) :

Commande Direct de Puissance (DPC)

La commande direct de puissance a pour but d’éliminer le bloc de modulation de largeur d’impulsion et les boucles de régulations internes des variables et présent dans les deux commande VOC et VFOC, en les remplaçant par une table de commutation prédéfinie, dont les entrées sont les erreurs de suivi de référence des grandeurs contrôlées et la sortie est le vecteur de commande. La première application développée dans cet axe était la commande des machines électriques à vitesse variable alimentées par un onduleur à MLI triphasé. La structure de commande était connue sous le nom de commande direct de couple (DTC). Le flux statorique et le couple électromagnétique sont contrôlés directement sans aucun bloc de modulation. La ressemblance entre une machine électrique, alimentée par un onduleur de tension triphasé, et le redresseur à MLI triphasé connecté au réseau, a permis l’apparition d’une technique de commande analogue au DTC, appelée commande direct de puissance (DPC) utilisée pour le contrôle direct des puissances instantanées active et réactive du redresseur à MLI triphasé sans capteurs de tension du réseau. Le but commun de ce contrôle était d’assurer le prélèvement de courants sinusoïdaux tout en garantissant un facteur de puissance unitaire avec un contrôle découplé des puissances active et réactive. Il existe deux types de commande dite DPC à savoir :

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Commande DPC avec table de commutation prédéfinie

La structure globale du DPC utilisant une table de commutation prédéfinie, appliqué au pont redresseur à MLI triphasé est illustrée sur la figure (II.4). Elle est analogue à celle de la commande directe de couple (DTC) des machines à induction. Au lieu de commander un couple et un flux statorique, nous commandons les puissances instantanées actives et réactives. Le principe du DPC consiste à sélectionner une séquence d’ordre de commutation ( , , ) des semi-conducteurs constituant le redresseur à MLI, à partir d’une table de commutation. La sélection s’effectue sur la base des erreurs numérisées, et , entre les références des puissances active et réactive ( et ) et les valeurs réelles (P et Q), fournies par deux comparateurs à hystérésis à deux niveaux, ainsi que sur la position angulaire du vecteur des tensions du réseau. Pour ce dernier, le plan (α-β) est divisé en douze secteurs égaux. Chacune des séquences de commande ( , , ) correspond à un vecteur de tension à l’entrée du redresseur [8]. Pour toute structure du DPC, le contrôle de la tension du bus continu , s’effectue par ajustement de la puissance active instantanée. L’objectif du DPC est de permettre au redresseur à MLI d’échanger avec le réseau électrique des puissances instantanées actives et réactives constantes, tout en garantissant un contrôle découplé de ces dernières. Ainsi, la référence de la puissance active est fournie par le régulateur PI de la tension du bus continu tandis que celle de la puissance réactive provient de la référence, afin d’assurer un fonctionnement du redresseur avec un facteur de puissance unitaire.

DPC avec modulation vectorielle

Les inconvénients du DPC classique peuvent être éliminés en utilisant un modulateur de tension (au lieu d’un tableau de commutations) pour pouvoir travailler à fréquence de commutation constante. Dans ce cas, le schéma bloc de la commande Directe de Puissance avec modulation vectorielle (en anglais Direct Power Control with Space Vector Modulation) peut être illustré dans la figure (II.5) : Ces modifications permettent de travailler à une fréquence de commutation constante avec une fréquence d’échantillonnage et une inductance plus réduites. Cela est dû au fait que la dynamique du courant est déjà limitée par le modulateur. La commande Directe de Puissance avec modulation vectorielle a été proposée pour le contrôle de puissance en applications mono-fréquentielles car il est composé d’un seul correcteur PI en repère tournant. Cependant, si la bande passante du correcteur est suffisamment large, il peut être utilisé pour des applications multi-fréquentielles pas trop exigeantes [6].

Conclusion général

Dans ce mémoire, nous nous sommes intéressées à étudier les différentes topologies et les circuits de commandes des ponts redresseurs à IGBT et/ou MOSFET. La raison de ce choix est due au fait qu’il présente des avantages, à savoir une commande en tension, une réversibilité en puissance et la possibilité de minimiser les harmoniques de courants, car comme nous le savon les ponts redresseurs sont en général considéré comme des charges non linéaire. De plus, les commandes étudié été tous des commandes numériques car ces dernières années les microcontrôleurs (PIC ou DSPIC) et DSP ont énormément évolué et leurs puissance de calcul ont également été amélioré. Cela a permis de développer des algorithmes plus compliqué qui seront facilement implémentable. Ainsi, dans notre premier chapitre, nous avons donné une généralité sur les différents topologies de ponts redresseurs, en donnant des explications pour chaque types de redresseur (non commandé, semi-commandé et commandé).

Nous avons également présenté les avantages et les inconvénients de ces topologies. Ensuite, nous avons présenté le second chapitre, ce chapitre porté sur la description des différentes commandes existant pour la commande des ponts redresseurs à IGBT et/ou MOSFET tels que la commande VOC, VFOC, DPC et en courant. Dans le dernier chapitre, nous avons choisi de faire une étude détailler des commandes VOC et en courant, en présentant les détails de chaque partie constituant ces commandes. Nous avons également présenté le calcul des régulateurs PI et régulateur RST que nous avons utilisé. Les simulations que nous avons réalisées avec les toolbox Simulink et SimPowerSystem de MATLAB nous ont montré que la commande VOC discrète donne les meilleurs résultats par rapport aux autres commandes que nous avons étudiées.

Table des matières

Listes des figures
Liste des tableaux
Acronymes et Abréviation
Introduction générale
Chapitre I : Introduction au redresseur triphasé
I.1.Introduction
I.2.Description du redresseur triphasé
I.2.1.Redresseur non commandé
I.2.2.Redresseur mixte
I.2.3. Redresseur commandé en basse fréquence
I.3.Les topologies de base de pont redresseur triphasé
I.3.1.redresseur à commande MLI
I.3.2.Structure de Redresseur Utilisant un Hacheur BOOST
I.3.3.Structures de Redresseurs à Injection de Courant
I.3.4.Redresseur de Vienne
I.4.Conclusion
Chapitre II : Les commandes de pont redresseur
II.1.Introduction
II.2. Stratégie de commande des ponts redresseurs
II.2.1. Commande à tension orienté (VOC)
II.2.2.Contrôle à Flux Virtuel Orientée (VFOC)
II.2.3.Contrôle Direct de Puissance (DPC)
II.2.4. Commande en courant
II.3.Comparaison et discutions entre ces commandes
II.4.Conclusion
Chapitre III : Etude et simulation deux types de commande de pont redresseurs
III.1. Introduction
III.2.Commande à tension orienté (VOC)
III.2.1 P.L.L (Phase Looked loop)
III.2.2.Régulation
III.2.3.Résultats de simulation du système complet
III.3. Commande en courant
III.4.Conclusion
Conclusion générale
Annexes
Bibliographies

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