Simulation sur Matlab Simulink des Onduleurs 3 niveaux

MENTION : GENIE ELECTRIQUE

PARCOURS : MACHINES ELECTRIQUES, RESEAUX

D’ENERGIES

ET ENERGIES RENOUVELABLES

Mémoire en vue de l’obtention du diplôme d’ingénieure en Génie

Electrique

Présenté par : RAKOTOMALALA TSIHOARANA R

Encadré par le Professeur ANDRIATSIHOARANA HARLIN SAMUEL

UNIVERSITE D’ANTANANARIVO

ECOLE SUPERIEURE

POLYTECHNIQUE

DOMAINE : SCIENCE DE

L’INGENIEUR

Simulation sur Matlab

Simulink des Onduleurs

3 niveaux

Application à la régulation de

la vitesse du

Moteur asynchrone

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MENTION : GENIE ELECTRIQUE

PARCOURS : MACHINES ELECTRIQUES, RESEAUX

D’ENERGIES

ET ENERGIES RENOUVELABLES

Mémoire en vue de l’obtention du diplôme d’ingénieur en Génie

Electrique

Présenté par : RAKOTOMALALA Tsihoarana Ramaherisoa

Le 12 aout 2019

Devant les membres du jury composé de :

Président : Monsieur RAMAROZATO Vonjy, maitre de conférences.

Directeur mémoire : Monsieur ANDRIATSIHOARANA Harlin Samuel, professeur

Examinateur :

Monsieur RAKOTONIAINA Solofohery, maitre de conférences.

Monsieur RANDRIAMORA Edmond, maitre de conférences.

Monsieur RABENJARIVELO Patrice, Assistant de recherche.

UNIVERSITE D’ANTANANARIVO

ECOLE SUPERIEURE

POLYTECHNIQUE

DOMAINE : SCIENCE DE

L’INGENIEUR

Simulation sur Matlab Simulink des

Onduleurs 3 niveaux

Application à la régulation de la

vitesse du moteur asynchrone

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Remerciements

Je tiens tout d’abord, à remercier Dieu tout puissant, de m’avoir donné la santé et la volonté

d’accomplir ce travail.

En témoignage de ma reconnaissance, j’adresse aussi mes plus vifs remerciements aux

personnes suivantes, sans qui ce mémoire n’aurait été possible :

Monsieur ANDRIANAHARISON Yvon, Directeur de l’Ecole Supérieure

Polytechnique d’Antananarivo (E.S.P.A), qui m’a autorisé à soutenir ce mémoire.

Monsieur RAMAROZATOVO Vonjy, Chef de Mention de la filière Génie Electrique.

Monsieu ANDRIATSIHOARANA Harlin Samuel, Professeur Enseignant à l’E.S.P.A. qui a

dirigé ce mémoire. Merci pour votre aide, suivi, et conseils ; et malgré vos nombreuses

occupations, vous avez consacré du temps pour ce travail.

Les membres du jury qui ont consacrés leur temps pour examiner ce mémoire, qui sont :

Monsieur RAKOTONIAINA Solofohery, maitre de conférences.

Monsieur RANDRIAMORA Edmond, maitre de conférences.

Monsieur RABENJARIVELO Patrice, Assistant de recherche.

Ainsi que tous les enseignants de la filière Génie Electrique qui nous a formés durant ces

années études.

Tous ceux qui, de près ou de loin, ont contribué à la préparation et l’élaboration de ce

mémoire.

Enfin, mes remerciements s’adressent plus particulièrement à ma famille et mes amis, qui ont

su me soutenir, m’encourager et m’aider tout au long des années.

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Table des matières Liste des tableaux .................................................................................................................... vi

Liste des figures ...................................................................................................................... vii

Liste des abréviations .............................................................................................................. xi

Introduction générale ............................................................................................................... 1

Chapitre I : Les onduleurs multiniveaux à 3 niveaux ........................................................... 3

I.2 Principales topologies des onduleurs multiniveaux ..................................................................... 4

I.2.1 Intérêt des onduleurs multiniveaux ....................................................................................... 4

I.2.2 Structure des onduleurs à 3 niveaux : ................................................................................... 4

I.3 Les paramètres de performance de l’onduleur : .......................................................................... 5

I.2.3 Facteur de distorsion harmonique (THD) : ........................................................................ 5

I.2.4 Facteur du courant harmonique (HCF) .................................................................................. 5

I.2.5 Facteur de distorsion (DF) : ................................................................................................. 5

I.2.6 Les onduleurs multiniveaux : ................................................................................................. 5

I.2.6.1 Les divers types des onduleurs ....................................................................................... 5

I.2.6.2 Différentes structures de convertisseurs multiniveaux ................................................. 6

I.2.6.2.a Onduleur multiniveaux de type NPC : ..................................................................... 6

I. .2.6.2. a.1 Onduleur multiniveaux de type NPC à 3 niveaux : ........................................ 7

I.2.6.2.b Onduleur multiniveaux de type FC à 3 niveaux : .................................................... 9

I.2.6.2.c Onduleur multiniveaux de type pont en H à 3 niveaux : ....................................... 11

I.2.6.2.d Onduleur multiniveaux de type MNP à 3 niveaux : .............................................. 12

I.2.6.2. d.1 Analyse topologique de l’onduleur MNP : .................................................... 16

I.2.6.2.d.1.aLes configurations valides ......................................................................... 16

I.2.6.2.d.1.bLes configurations interdites .................................................................... 18

I.3 modulation de largeur d’impulsion : .......................................................................................... 20

I.3.1 principe de largeur d’impulsion ........................................................................................... 20

I.3.2 Modulation sinusoïdale : ...................................................................................................... 20

I.4 conclusion : .................................................................................................................................. 21

Chapitre II : Simulation des onduleurs à 3 niveaux selon la charge ................................. 22

II.1 Introduction ................................................................................................................................ 22

II.2 simulation Onduleur 3 niveaux de type NPC : ........................................................................... 23

II.2.1 Charge RL : ........................................................................................................................... 23

II.3 simulation Onduleur 3 niveaux de type pont en H ................................................................... 26

II.3.1 Charge RL : ........................................................................................................................... 26

II.4 simulation Onduleur 3 niveaux de type pont MNP ................................................................... 29

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II.4.1 Charge RL : ........................................................................................................................... 29

II.5 simulation Onduleur 3 niveaux de type FC ................................................................................ 32

II.5.1 Charge RL : ........................................................................................................................... 32

II.6 Interprétation des résultats de chaque simulation des onduleurs à 3 niveaux : ..................... 35

II.7 simulation des onduleurs à 3 niveaux : charges machine asynchrone : ................................... 36

II.7.1 onduleur de type NPC et moteur asynchrone : .................................................................. 36

II.7.2 Interprétation des résultats de l’onduleur NPC et MAS : .................................................. 39

II.7.3 onduleur de type H et moteur asynchrone ........................................................................ 40

II.7.4 Interprétation des résultats de l’onduleur pont rn H et MAS :.......................................... 43

II.7.5 onduleur de type MNP et moteur asynchrone : ................................................................. 44

II.7.6 Interprétation des résultats de l’onduleur MNP et MAS : ................................................. 47

II.7. Onduleur de type FC et moteur asynchrone : ...................................................................... 48

II.7.7 Interprétation des résultats de l’onduleur FC et MAS : ..................................................... 52

Chapitre III : Analyse de la variation de la vitesse du moteur asynchrone par fréquence

de commande pour appliquer la régulation avec le correcteur PI .................................... 53

III.1 Introduction ............................................................................................................................... 53

III.2 Analyse de la variation de la vitesse par fréquence de commande ........................................ 54

III.2.1 Les éléments principales constituant du variateur de vitesse .......................................... 54

III.2.1.1 les résultats de la simulation : moteur asynchrone à vide ........................................ 56

III.2.1.2 interprétation des résultats de la simulation du moteur asynchrone à vide ............ 60

III.2.1.2 les résultats de la simulation : moteur asynchrone en charge .................................. 60

III.2.1.3 interprétation des résultats de la simulation du moteur asynchrone en charge ..... 64

III.3 Application de la régulation de vitesse par le correcteur PI .................................................... 65

III.3.1 Introduction de la régulation ............................................................................................. 65

III.3.2 le principe de la régulation ................................................................................................ 65

III.3.3 le correcteur PI ................................................................................................................... 66

III.3.4 Régulation de la vitesse du moteur asynchrone ............................................................... 67

III.3.4.1 Application de la régulation ........................................................................................ 71

III.3.4.2 les résultats de la régulation ........................................................................................... 72

III.3.4.2.1 Le démarrage à vide avec introduction d'un couple de charge du moteur

asynchrone ................................................................................................................................ 72

III.3.5 conclusion ........................................................................................................................... 76

Conclusion générale ............................................................................................................... 77

Webographie ............................................................................................................................ A

Annexe A .................................................................................................................................. B

Résumé

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Liste des tableaux

TABLEAU I.1 : TABLE DE COMMUTATION DU CONVERTISSEUR NPC 3 NIVEAUX ............................ 8 TABLEAU I.2 : REALISATION DES DIFFERENTS NIVEAUX POUR L’ONDULEUR FC A 3 NIVEAUX 10 TABLEAU I.3 : TABLEAU DE COMMUTATIONS DU CONVERTISSEUR EN H ....................................... 11 TABLEAU I.4 : NOMBRE DES COMPOSANTS ELECTRONIQUES DANS LES DIFFERENTS TYPES

D’ONDULEUR ............................................................................................................................................ 14 TABLEAU I.5 : ÉTAT DES INTERRUPTEURS POUR UN COURANT DE CHARGE POSITIVE ............... 17 TABLEAU I.6 : ÉTAT DES INTERRUPTEURS POUR UN COURANT DE CHARGE POSITIVE ............... 17 TABLEAU 7 COMPARAISON DES ONDULEURS A 3 NIVEAUX ................................................................ 35

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Liste des figures

FIGURE 1 FORME D'ONDE EN SORTIE DES ONDULEURS 3 NIVEAUX .............................................. 4 FIGURE 2 ONDULEUR NPC 3 NIVEAUX.......................................................................................................... 7 FIGURE 3 COMMUTATION DES INTERRUPTEURS DU CONVERTISSEUR NPC 3 NIVEAUX ............... 8 FIGURE 4 ONDULEUR FC 3 NIVEAUX ............................................................................................................ 9 FIGURE 5 REALISATION DES DIFFERENTS NIVEAUX DE TENSION AVEC L’ONDULEUR FC

3NIVEAUX .................................................................................................................................................. 10 FIGURE 6 CONVERTISSEUR PONT EN H 3 NIVEAUX .............................................................................. 11 FIGURE 7 COMMUTATION DES INTERRUPTEURS DE L'ONDULEUR PONT EN H .............................. 12 FIGURE 8 ONDULEUR MULTINIVEAU DE TYPE MNP ............................................................................... 12 FIGURE 9 CONFIGURATION IMPAIR DES ONDULEURS MULTINIVEAUX DE DE TYPES MNP ........ 13 FIGURE 10 CONFIGURATION PAIR DES ONDULEURS MULTINIVEAUX DE TYPES MNP ................. 13 FIGURE 11 COMMUTATION DES INTERRUPTEURS DU CONVERTISSEUR MNP A N NIVEAUX ...... 14 FIGURE 12 STRUCTURE DE L'ONDULEUR MNP A 3 NIVEAUX ............................................................... 15 FIGURE 13 A) ;B) CONFIGURATION POSITIVE VALIDE D'UN ONDULEUR MNP 3 NIVEAUX ........... 17 FIGURE 14 C) ;D) CONFIGURATION A L'ETAT DE LA SORTIE EGALE A ZERO ET NEGATIVE DE

L'ONDULEUR MNP ................................................................................................................................... 18 FIGURE 15 COURT-CIRCUIT DE V1 ............................................................................................................... 18 FIGURE 16 COURT-CIRCUIT V1+V2 ............................................................................................................... 19 FIGURE 17 COURT-CIRCUIT V2 ...................................................................................................................... 19 FIGURE 18 SCHEMA DE PRINCIPE DE LA TECHNIQUE TRIANGULO-SINUSOÏDALE ......................... 20 FIGURE 19 MODULATION LARGEUR D'IMPULSION ................................................................................. 21 FIGURE 20 SEQUENCE DE LA COMMANDE DES INTERRUPTEURS ....................................................... 23 FIGURE 21 ALLURE DE LA TENSION ............................................................................................................ 23 FIGURE 22 SPECTRE D’HARMONIQUE DE TENSION DE L'ONDULEUR NPC A 3 NIVEAUX ............. 24 FIGURE 23 ALLURE DES COURANTS EN SORTIE TRIPHASE................................................................... 24 FIGURE 24 SPECTRE D'HARMONIQUES DE COURANT DE L'ONDULEUR NPC .................................... 25 FIGURE 25 MODULATION SINUSOÏDALE .................................................................................................... 23 FIGURE 26 LES INTERRUPTEURS EN COMMUTATION ............................................................................. 23 FIGURE 27 LES TENSION DE SORTIE MLI .................................................................................................... 24 FIGURE 28 SPECTRE D'HARMONIQUES EN TENSION COMMANDE MLI .............................................. 24 FIGURE 29 ALLURE DES COURANTS MLI ................................................................................................... 25 FIGURE 30 THD DU COURANT EN COMMANDE MLI ................................................................................ 25 FIGURE 31 LES SIGNAUX DE COMMANDES DES INTERRUPTEURS ...................................................... 26 FIGURE 32 LES ALLURES DE TENSIONS TRIPHASEES ............................................................................. 26 FIGURE 33 SPECTRE D'HARMONIQUES EN COURANT ONDULEUR PONT EN H................................. 27 FIGURE 34 LES COURANTS EN SORTIE........................................................................................................ 27 FIGURE 35 SPECTRE D'HARMONIQUE EN COURANT DE L'ONDULEUR PONT EN H ......................... 28 FIGURE 36 PRINCIPE DU SIGNAL DE COMMANDE ................................................................................... 26 FIGURE 37 LES SIGNAUX DE COMMANDES DES INTERRUPTEURS ...................................................... 26 FIGURE 38 ALLURES DES TENSIONS EN SORTIE ...................................................................................... 27 FIGURE 39 SPECTRE D'HARMONIQUE DE TENSION DE L'ONDULEUR PONT EN H............................ 27 FIGURE 40 ALLURE DES COURANTS EN SORTIE ...................................................................................... 28 FIGURE 41 SPECTRE D'HARMONIQUE EN COURANT DE L'ONDULEUR PONT EN H ......................... 28 FIGURE 42 COMMUTATIONS DES INTERRUPTEURS ................................................................................ 29 FIGURE 43 LES TENSIONS DE SORTIE DE L'ONDULEUR MNP ................................................................ 29 FIGURE 44 SPECTRE EN HARMONIQUE DE LA TENSION DE L'ONDULEUR MNP .............................. 30 FIGURE 45 LES COURANTS DE L'ONDULEUR MNP EN SORTIE .............................................................. 30 FIGURE 46 SPECTRE D'HARMONIQUE DU COURANT DE L'ONDULEUR MNP ..................................... 31 FIGURE 47 SIGNAL DE COMMANDE ............................................................................................................ 29 FIGURE 48 LES COMMUTATIONS DES INTERRUPTEURS ........................................................................ 29

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FIGURE 49 ALLURE DES TENSIONS EN SORTIE ......................................................................................... 30 FIGURE 50 SPECTRE D'HARMONIQUE DU COURANT DE L'ONDULEUR MNP ..................................... 30 FIGURE 51 ALLURE DES COURANTS DE L'ONDULEUR MNP .................................................................. 31 FIGURE 52 SPECTRE D'HARMONIQUE DU COURANT DE L'ONDULEUR MNP ..................................... 31 FIGURE 53 LES COMMUTATIONS DES INTERRUPTEURS DE L'ONDULEUR FC .................................. 32 FIGURE 54 ALLURE DES TENSIONS DE L'ONDULEUR FC ........................................................................ 32 FIGURE 55 SPECTRE D'HARMONIQUE DE LA TENSION DE L'ONDULEUR FC ..................................... 33 FIGURE 56 LES COURANTS DE SORTIES DE L'ONDULEUR FC ............................................................... 33 FIGURE 57 SPECTRE D'HARMONIQUE DU COURANT DE L'ONDULEUR FC ........................................ 34 FIGURE 58 PRINCIPE DU SIGNAL DE COMMANDE ................................................................................... 32 FIGURE 59 LES COMMUTATIONS DES INTERRUPTEURS DE L'ONDULEUR FC .................................. 32 FIGURE 60 ALLURE DES TENSIONS EN SORTIE DE L'ONDULEUR FC ................................................... 33 FIGURE 61 SPECTRE D'HARMONIQUE DU COURANT DE L'ONDULEUR FC ........................................ 33 FIGURE 62 ALLURE DES COURANTS EN SORTIE DE L'ONDULEUR FC ................................................ 34 FIGURE 63 SPECTRE D'HARMONIQUE DU COURANT DE L'ONDULEUR FC ........................................ 34 FIGURE 64 LES TENSIONS TRIPHASEES DE L'ONDULEUR NPC MAS .................................................... 36 FIGURE 65 SPECTRE D'HARMONIQUE EN TENSION NPC MAS ............................................................... 36 FIGURE 66 LES COURANTS EN SORTIE DE L'ONDULEUR NPC MAS ..................................................... 37 FIGURE 67 COURANTS EN CHARGE ............................................................................................................. 37 FIGURE 68 SPECTRE D'HARMONIQUE NPC MAS ....................................................................................... 38 FIGURE 69 LA VITESSE ET COUPLE NPC MAS ........................................................................................... 38 FIGURE 70 LES TENSIONS TRIPHASEES NPC MLI ..................................................................................... 36 FIGURE 71 SPECTRE D’HARMONIQUE TENSION NPC MAS ..................................................................... 36 FIGURE 72 LES COURANTS NPC MAS .......................................................................................................... 37 FIGURE 73 ZOOM COURANTS EN CHARGES NPC MAS ............................................................................ 37 FIGURE 74 SPECTRE D'HARMONIQUE EN COURANT MLI MAS ............................................................. 38 FIGURE 75 LA VITESSE ET COUPLE NPC MAS ........................................................................................... 38 FIGURE 76 ALLURES DES TENSIONS COMPOSEES DE L'ONDULEUR PONT EN H MAS .................... 40 FIGURE 77 SPECTRE D’HARMONIQUE EN TENSION ONDULEUR PONT EN H .................................... 40 FIGURE 78 ALLURE DES COURANTS EN CHARGES PONT EN H MAS ................................................... 41 FIGURE 79 VALEURS DES COURANTS EN CHARGES PONT EN H MAS ................................................ 41 FIGURE 80 SPECTRE D'HARMONIQUE EN COURANT PONT EN H MAS ................................................ 42 FIGURE 81 LA VITESSE ET LE COUPLE ELECTROMAGNETIQUE PONT EN H MAS ........................... 42 FIGURE 82 LES TENSIONS COMPOSEES PONT EN H MAS ....................................................................... 40 FIGURE 83 SPECTRE D'HARMONIQUE EN TENSION ONDULEUR PONT EN H ..................................... 40 FIGURE 84 LES COURANTS DE PHASES EN SORTIE ................................................................................. 41 FIGURE 85 LES ALLURES DES COURANTS EN CHARGE .......................................................................... 41 FIGURE 86 SPECTRE D'HARMONIQUE EN COURANT PONT EN H.......................................................... 42 FIGURE 87 LA VITESSE ET LE COUPLE ELECTROMAGNETIQUE EN COMMANDE MLI PONT EN H

...................................................................................................................................................................... 42 FIGURE 88 LES TENSIONS EN SORTIE DU MOTEUR ASYNCHRONE SELON LA COMMANDE

SIMPLE ........................................................................................................................................................ 44 FIGURE 89 SPECTRE D'HARMONIQUE EN COURANT COMMANDE SIMPLE MNP ET MAS .............. 44 FIGURE 90 LES COURANTS DU MOTEUR ASYNCHRONE EN CHARGE MNP ....................................... 45 FIGURE 91 ALLURE DES COURANTS EN CHARGE MAS MNP ................................................................. 45 FIGURE 92 SPECTRE D'HARMONIQUE DU COURANT MNP MAS ........................................................... 46 FIGURE 93 LA VITESSE ET LE COUPLE ELECTROMAGNETIQUE COMMANDE SIMPLE ................... 46 FIGURE 94 LES TENSIONS COMPOSEES MLI .............................................................................................. 44 FIGURE 95 SPECTRE D'HARMONIQUE EN COMMANDE MLI .................................................................. 44 FIGURE 96 LES COURANT S DU MOTEUR ASYNCHRONE EN CHARGE MLI ....................................... 45 FIGURE 97 ALLURE DES COURANTS EN CHARGE MLI ............................................................................ 45 FIGURE 98 SPECTRE D'HARMONIQUE EN COURANT EN COMMANDE MLI ........................................ 46 FIGURE 99 LA VITESSE ET LE COUPLE ELECTROMAGNETIQUE EN COMMANDE MLI ................... 46

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FIGURE 100 LES TENSIONS COMPOSEES DE L'ONDULEUR FC .............................................................. 48 FIGURE 101 SPECTRE D'HARMONIQUE EN TENSION DE L’ONDULEUR FC......................................... 48 FIGURE 102 LES COURANTS DU MOTEUR ASYNCHRONE EN CHARGE FC ......................................... 49 FIGURE 103 ALLURE DES COURANTS EN CHARGE .................................................................................. 49 FIGURE 104 SPECTRE D'HARMONIQUE EN COURANT FC ....................................................................... 50 FIGURE 105 LA VITESSE ET LE COUPLE ELECTROMAGNETIQUE DU MOTEUR EN COMMANDE

SIMPLE ........................................................................................................................................................ 50 FIGURE 106 ALLURE DES TENSIONS COMPOSEES MLI FC ..................................................................... 48 FIGURE 107 SPECTRE D'HARMONIQUE EN TENSION MLI FC ................................................................. 48 FIGURE 108 LES COURANTS DU MOTEUR ASYNCHRONE EN CHARGE MLI FC ................................ 49 FIGURE 109 ALLURE DES COURANTS EN CHARGES MLI FC .................................................................. 49 FIGURE 110 SPECTRE D'HARMONIQUE EN COURANT MLI FC ............................................................... 50 FIGURE 111 LA VITESSE ET LE COUPLE ELECTROMAGNETIQUE DU MOTEUR EN COMMANDE

MLI .............................................................................................................................................................. 50 FIGURE 112 LA COMMANDE DU VARIATEUR DE VITESSE..................................................................... 54 FIGURE 113 LA PARTIE PUISSANCE DU VARIATEUR DE VITESSE ........................................................ 55 FIGURE 114 VARIATION DE LA VITESSE DU MOTEUR ASYNCHRONE PAR FREQUENCE A

CHARGE VIDE ........................................................................................................................................... 56 FIGURE 115 LES OSCILLATIONS DE LA VITESSE ...................................................................................... 56 FIGURE 116 ZOOM DES OSCILLATIONS DE LA VITESSE ......................................................................... 57 FIGURE 117 LES ALLURES DES COURANTS DU MOTEUR PENDANT LA VARIATION DE VITESSE 57 FIGURE 118 ZOOM DES COURANTS .............................................................................................................. 58 FIGURE 119 LE COUPLE AU COURS DU CHANGEMENT DE VITESSE ................................................... 58 FIGURE 120 ZOOM DU COUPLE ELECTROMAGNETIQUE ........................................................................ 59 FIGURE 121 LES TENSIONS COMPOSEES DU VARIATEUR DE VITESSE ............................................... 59 FIGURE 122 ZOOM DES TENSIONS COMPOSEES ....................................................................................... 60 FIGURE 123 VARIATION DE LA VITESSE DU MOTEUR EN CHARGE ..................................................... 61 FIGURE 124 ZOOM DE LA VITESSE DE MOTEUR EN CHARGE ............................................................... 61 FIGURE 125 LES ALLURES DES COURANTS DU MOTEUR EN CHARGE ............................................... 62 FIGURE 126 LE COUPLE ELECTROMAGNETIQUE DU MOTEUR EN CHARGE...................................... 62 FIGURE 127 ZOOM DU COUPLE ELECTROMAGNETIQUE DU MOTEUR EN CHARGE ........................ 63 FIGURE 128 LES TENSIONS COMPOSEES DU MOTEUR EN CHARGE..................................................... 63 FIGURE 129 ZOOM DES TENSIONS COMPOSEES DU MOTEUR EN CHARGE ....................................... 64 FIGURE 130 SCHEMA BLOC TYPIQUE D’UN SYSTEME ASSERVI ........................................................... 65 FIGURE 131 SCHEMA BLOC D’UN SYSTEME ASSERVI AVEC CORRECTION. ..................................... 66 FIGURE 132 ASSERVISSEMENT AVEC CORRECTEUR PROPORTIONNEL-INTEGRAL ........................ 66 FIGURE 133 SCHEMA BLOC DE REGULATION DE LA VITESSE DE ROTATION W ............................ 68 FIGURE 134 LA REGULATION DE LA VITESSE DU MOTEUR ASYNCHRONE ...................................... 70 FIGURE 135 LE CORRECTEUR PI.................................................................................................................... 71 FIGURE 136 REGULATION DE LA VITESSE AVEC LES SOURCES SINUSOÏDALES ............................. 71 FIGURE 137 LA VITESSE ROTORIQUE ET LA VITESSE DE REFERENCE AVEC L'APPLICATION DE

LA REGULATION PI Ρ=1 .......................................................................................................................... 72 FIGURE 138 LES COURANTS A Ρ=1 ............................................................................................................... 73 FIGURE 139 LE COUPLE A Ρ=1 ........................................................................................................................ 73 FIGURE 140 LA VITESSE DU ROTOR ET LA VITESSE REFERENCE AVEC APPLICATION D'UN

REGULATEUR PI Ρ=2 ............................................................................................................................... 73 FIGURE 141 LES COURANTS A Ρ=2 ............................................................................................................... 74 FIGURE 142 LE COUPLE ELECTROMAGNETIQUE A Ρ=3 .......................................................................... 74 FIGURE 143 LA VITESSE DU ROTOR ET LA VITESSE REFERENCE AVEC APPLICATION D'UN

REGULATEUR PI Ρ=3 ............................................................................................................................... 74 FIGURE 144 LES COURANTS A Ρ=3 ............................................................................................................... 75 FIGURE 145 LE COUPLE ELECTROMAGNETIQUE Ρ=3 ............................................................................................ 75 FIGURE 146 LA VITESSE AVEC LA REGULATION PI A VIDE................................................................... 76

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FIGURE 147 FENETRE DE MATLAB ................................................................................................................. 2 FIGURE 148 LES OUTILS DE MATLAB ............................................................................................................ 3 FIGURE 149 NAVIGATEUR SIMULINK ............................................................................................................ 4 FIGURE 150 CONSTRUCTION D'UNE MODELE SUR SIMULINK ................................................................ 5 FIGURE 151 LES PARAMETRES DU MOTEUR ASYNCHRONE ................................................................... 6 FIGURE 152 LE SIGNAL PWM ........................................................................................................................... 7 FIGURE 153 LES BLOCS DE L'ONDULEUR ..................................................................................................... 8 FIGURE 154 LES PORTS DU PIC 16F77A .......................................................................................................... 9 FIGURE 155 STRUCTURE INTERNE DU PIC 16F77A ................................................................................... 10 FIGURE 156 LA MODULATION SINUSOÏDALE NATURELLE ................................................................... 11 FIGURE 157 GENERATEUR DU PWM............................................................................................................ 11 FIGURE 158 LE PROGRAMME DU PWM ........................................................................................................ 12 FIGURE 159 L'ALGORITHME DU PWM .......................................................................................................... 13 FIGURE 160 LE BLOC DE PUISSANCE DE L'ONDULEUR ........................................................................... 14 FIGURE 161 LES COURBES DE TENSIONS ................................................................................................... 14 FIGURE 162 LES SIGNAUX DE COMMANDES ............................................................................................. 15

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Liste des abréviations

MLI : modulation de largeur d’impulsion

MAS: moteur asynchrone

THD: Total Harmonic Distorsion

NPC: Neutral Point Clamped

MNP: Multi Neutral Clamped

FC: Flying Capacitor

H: Pont H (H-bridge)

MPC : Multiple Point Clamped

DC : source continue

PI : Proportionnel Intégral

MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

IGBT: Insulated Gate Bipolaire Transistor

GTO: Gate Turn-Off Thyristor

HCF : facteur du courant harmonique

DF : facteur de distorsion

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P a g e 1 | 106

Introduction générale

La consommation d'énergie électrique ne cesse de croitre, et cela grâce à l'électronique de puissance

qui est en plein développement, évolution et les avancées technologiques des composants semi-

conducteurs. Cette évolution a permis aux convertisseurs statiques de se diffuser dans un grand

nombre de secteurs pour des applications de plus grande puissance. Ces domaines d'application

nécessitent l'utilisation des tensions élevées, par conséquent, l'idée d'utiliser des composants ayant

des calibres en tension élevés ne se fait pas sans contrepartie. En effet, le fait d'augmenter la tenue en

tension des composants génère une détérioration importante des caractéristiques statiques et

dynamiques. Donc, ces composants-là sont moins performants par rapport à ceux de calibres plus

faibles en tension.

Afin de trouver une solution à ce problème et utiliser des composants d'électronique de puissance

plus performants, de nouvelles structures de convertisseurs ont été développées telles que les

"Convertisseurs multiniveaux". Tout convertisseur possédant au moins trois niveaux de tension par

bras fait partie des familles des convertisseurs multiniveaux, c'est à dire que la tension de sortie peut

prendre au moins trois valeurs différentes au lieu des deux traditionnellement utilisés. Ils consistent à

mettre en série les interrupteurs de puissance an d'accroître la tension commutée et d'assurer la

répartition de la contrainte en tension sur différents interrupteurs. Ils permettent aussi d'utiliser des

composants de faibles calibres qui sont donc moins coûteux et plus performants. L'avantage de ces

structures multiniveaux réside dans leur capacité à améliorer les formes d'onde et les spectres

harmoniques des grandeurs de sortie.

Les quatre principales topologies multiniveaux utilisées sont :

La topologie à diodes clampées (NPC-Neutral Point Clamped) permet de clamper les

interrupteurs ouverts par l'intermédiaire des diodes de clampage. Elle permet aussi de

réduire le taux de distorsion harmonique, limitant ainsi la taille des éléments de

filtrage.

La topologie basée sur des cellules imbriquées (topologie à capacités flottantes FC-

Flying Capacitor ou encore topologie multicellulaire) permet de répartir les tensions

aux bornes des semi-conducteurs mis en série par l'intermédiaire des condensateurs

flottants. Elle joue aussi un rôle sur la réduction du taux de distorsion harmonique.

La topologie basée sur la mise en série d'onduleurs monophasés sur chaque phase

(topologie en cascade ou pont en H), présente l'énorme avantage d'être modulaire, cela

P a g e 2 | 106

veut dire qu'elle est facilement extensible à un nombre élevé de niveaux, ce qui réduit le

taux de distorsion des harmoniques.

La topologie MNP (Multi Neutral Clamped) Cette structure possède les avantages de

nécessiter une seule source continue, sans diodes de bouclage, de pouvoir fonctionner

avec des nombres de niveaux quelconque, pairs et impairs et de pouvoir travailler en

mode dégradé.

Ces convertisseurs statiques doivent être pilotés, et au sein de l'interface de pilotage, un schéma

particulier permet de générer des signaux de commande pour les interrupteurs, il s'agit de la

Modulation de Largeur d'Impulsion (MLI sinusoïdale).

Cette étude s’oriente et démontre les avantages ces onduleurs multiniveaux à fin de

comprendre surtout l’intérêt de la commande MLI.

Donc ce mémoire est organisé comme suit :

Le premier chapitre concernera les onduleurs à 3 niveaux et la modulation de largeur

d’impulsion.

Dans le deuxième chapitre, il se consacre sur la simulation du moteur asynchrone et de

ces 4 onduleurs utilisant une charge RL et des moteurs asynchrones avec l’observation et

interprétation des résultats obtenus selon les commandes appliquées.

Le troisième chapitre démontrera la variation de la vitesse selon la fréquence de la

commande dans l’intérêt d’utiliser la régulation PI pour stabiliser le moteur

asynchrone

Et enfin, on termine notre travail par la conclusion générale citant les résultats obtenus et les

futures perspectives pour l’amélioration de ce modeste travail.

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Chapitre I : Les onduleurs multiniveaux à 3 niveaux

I.1 Introduction

Depuis de nombreuses années, l'amélioration des dispositifs d'électronique de puissance est

un enjeu important au sein des applications à plus haute densité électrique. Certaines

applications telles que les transports, nécessitent des structures de conversion statique de

plus en plus puissantes. Ainsi, il existe une adaptation entre la technologie et la croissance de

la puissance à convertir grâce à l'évolution des technologies des composants semi-

conducteurs. Actuellement, grâce à l'apparition de nouveaux composants d'électronique de

puissance, des activités de recherche portent sur l'analyse ou la mise au point de structures

d'onduleurs multiniveaux, en vue de leur mise en œuvre au sein d'applications à plus haut

niveau de performances, ou plus puissantes. Ces domaines d'activité nécessitent l'utilisation

des tensions élevées, par conséquent, l'idée d'utiliser des composants ayant des calibres en

tension élevés ne se fait pas sans contrepartie. En effet, le fait d'augmenter la tenue en

tension des composants génère une détérioration importante des caractéristiques statiques et

dynamiques. Donc, ces composants-là sont moins performants par rapport à ceux

comportant des calibres faibles en tension. Pour résoudre ce problème et utiliser des

composants plus performants, de nouvelles structures ont été développées. Ces structures

sont appelées "convertisseurs multiniveaux" car elles possèdent plus de deux niveaux de

tension en sortie. Ces convertisseurs consistent à mettre en série les interrupteurs de

puissance afin d'accroître la tension commutée et d'assurer la répartition de la contrainte en

tension sur différents interrupteurs. Ils permettent aussi d'utiliser des composants de faibles

calibres qui sont donc moins coûteux et plus performants. L'avantage de ces structures

multiniveaux réside dans leur capacité à améliorer les formes d'onde et les spectres

harmoniques des grandeurs de sortie. Les principales applications de la topologie

multiniveaux se trouvent généralement dans la traction et la propulsion électrique, ainsi que

dans les systèmes de génération et de transport de l'énergie électrique. L'utilisation des

convertisseurs multiniveaux dans les installations industrielles a été motivée par des

avantages énergétiques, largement éprouvés de nos jours : la réduction très significative du

taux de distorsion harmonique du courant, l'amélioration du facteur de puissance, la

réduction des contraintes électriques aux bornes des interrupteurs statiques et la diminution

des pertes de puissance.

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Figure 1 forme d'onde en sortie des onduleurs 3

niveaux

+E

0

-E

Cependant, l'utilisation de ces onduleurs multiniveaux demande un pilotage par des nouvelles

techniques de modulation en fonction de certains critères que nous allons citer par la suite.

Dans le cas d'un fonctionnement en modulation de largeur d'impulsion (MLI), l'association

d'une architecture de type multiniveaux à une commande judicieuse des interrupteurs de

puissance permet en outre de supprimer certaines familles de raies harmoniques et par

conséquent, d'améliorer le contenu spectral des signaux de sortie (tension et courant)

I.2 Principales topologies des onduleurs multiniveaux

I.2.1 Intérêt des onduleurs multiniveaux

Un convertisseur statique est dit « multiniveaux » lorsqu’il génère une tension découpée de sortie composée

d’au moins trois niveaux. Ce type de convertisseur présente essentiellement deux avantages. D’une part les

structures multiniveaux permettent de limiter les contraintes en tension subies par les interrupteurs de

puissance : chaque composant, lorsqu’il est à l’état bloqué, supporte une fraction d’autant plus faible de la

pleine tension de bus continu que le nombre de niveaux est élevé. D’autre part, la tension de sortie délivrée

par les convertisseurs multi-niveaux présente d’intéressantes qualités spectrales. Le fait de multiplier le

nombre de niveaux intermédiaires permet de réduire l’amplitude de chaque front montant ou descendant de la

tension de sortie. Alors l’amplitude des raies harmoniques est par conséquent moins élevée. Dans le cas de

modulation de largeur d’impulsion, le recours à un convertisseur multi-niveaux associé à une commande

judicieuse des composants de puissance permet en outre de supprimer certaines familles de raies harmoniques

[2].

I.2.2 Structure des onduleurs à 3 niveaux :

Par le jeu de commande des interrupteurs, ses onduleurs sont capables de fournir 3 niveaux de

tension en sortie. Cette commande est obtenue par l’association des ondes rectangulaires déphasées,

l’une par rapport à l’autre avec un angle variable d’où une commande à trois états de sortie (-E, 0,

+E) figure 1. Avec la valeur efficace de la tension de sortie de l’onduleur est réglable en agissant sur

la durée du créneau [11].

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I.3 Les paramètres de performance de l’onduleur :

I.2.3 Facteur de distorsion harmonique (THD) :

Ce facteur nous donne une idée qualitative sur la similitude de forme d’onde réelle avec sa

composante fondamentale ; il est donné comme suit [10]. :

THD=√𝑉𝑒𝑓𝑓

2−𝑉𝑒𝑓𝑓12

𝑉𝑒𝑓𝑓12 I-1

𝑉𝑒𝑓𝑓 : La valeur efficace de la tension de sortie (Vs).

𝑉𝑒𝑓𝑓1: La valeur efficace de la première harmonique (fondamentale) de la tension de sortie.

I.2.4 Facteur du courant harmonique (HCF)

Ce facteur est principalement consacré aux commandes de la charge fortement inductive et filtrera en

dehors les harmoniques de tension [10].

HCF=100

𝐶((1)√∑ [

𝐶(𝑛)

𝑛]2∞

𝑛=5 I-2

C(n) : Le coefficient de 𝑛𝑖é𝑚𝑒harmonique.

I.2.5 Facteur de distorsion (DF) :

Il est défini par l’équation suivante [10] :

𝐷𝐹2 =100

𝑉𝑒𝑓𝑓√∑ [

𝑉𝑛

𝑛2]2∞𝑛=5 I-3

I.2.6 Les onduleurs multiniveaux :

I.2.6.1 Les divers types des onduleurs

On distingue les onduleurs de tension et les onduleurs de courant, en fonction de la source d’entrée

continue : source de tension ou source de courant. La technologie des onduleurs de tension est la plus

maitrisée et présentée dans la plupart des systèmes industriels, dans toutes les gammes de puissance

(quelques Watts à plusieurs MW).

Le classement des onduleurs dépend essentiellement :

- de la nature des sources reliées entre elles : tension ou courant ;

- du mode de commande des interrupteurs, ce qui détermine les formes d’onde de la tension

ou du courant.

P a g e 6 | 106

I.2.6.2 Différentes structures de convertisseurs multiniveaux

Le choix de la meilleure topologie d’onduleurs multiniveaux et de la meilleure stratégie de

commande, pour chaque application donnée, n’est pas souvent clair. Ces derniers font sans cesse

l’objet de nombreuses publications [15] [4].

Les principales topologies des onduleurs multiniveaux sont :

Les onduleurs à diodes de bouclage (en anglais clamping diodes appelé diodeClamp) NPC

(Neutral Point Clamped) et MPC (Multiple Point Clamped)

L’onduleur à condensateur flotteur [ou Flying Capacitor (FC)

L’onduleur à pont en cascade H-bridge.

L’onduleur MNP (Multiple Point Clamped)

I.2.6.2.a Onduleur multiniveaux de type NPC :

L’évolution rapide des techniques de fabrication des dispositifs à semi-conducteurs et l’orientation

des concepteurs vers la technologie des composants hybrides tels que l’IGBT ont permis de

développer de nouvelles structures d’onduleurs que le NPC (Neutral Point Clamped converter) qui

est la première structure d’onduleurs multiniveaux à trois niveaux, proposé par Nabea[2].

En se basant sur l’onduleur de tension de type NPC, on peut étendre l’étude à des niveaux supérieurs.

Selon le nombre de niveaux, on distingue deux cas :

Si le nombre de niveaux est impair, le point neutre existe au milieu des condensateurs. Alors,

la topologie NPC s’applique encore

Si le nombre de niveaux est paire, le point neutre n’existe plus vu le nombre impair des

condensateurs. La topologie qui s’applique dans ce cas, est celle à diodes de bouclage.

Pour un onduleur à N niveaux, le nombre d’éléments constituant sa topologie, notamment le nombre

de sources secondaires de tension continue S, les interrupteurs Q et les diodes de bouclage D sont

régis par les relations suivantes :

S= N-1

Q=2*(N-1)

D=2*(N-2) I-4

La tendance vers l’augmentation du nombre de niveaux est dictée par le besoin de tensions plus

élevées pour les applications de forte puissance. Dans cette étude, on se limite à l’analyse

P a g e 7 | 106

des onduleurs multiniveaux de type NPC. Donc seul le nombre de niveaux impair est considéré.

Hypothèse :

Les tensions d’entrée de l’onduleur sont supposées parfaites. En pratique, cela se traduit par le fait

que, quel que soit le courant délivré par cette alimentation, la tension à ses bornes reste constante

Uc1=Uc2=… =Ucs =Us. La chute de tension aux bornes des semi-conducteurs est négligeable devant

la tension d’alimentation qui est de l’ordre de quelques centaines de volts.

Remarque :

Pour des applications ne nécessitant pas d’apport de puissance active, on peut se passer

d’alimentation et se contenter d’éléments stockeurs, comme des condensateurs.

I. .2.6.2. a.1 Onduleur multiniveaux de type NPC à 3 niveaux :

L’idée de base de l’onduleur NPC est l’obtention d’une tension de sortie à trois niveaux.

A partir l’équation I-4 ; on a le niveau N=3, donc

Le nombre de source de tension est : S = 3-1= 2.

Le nombre des interrupteurs est : Ka = 2(3 – 1) = 4.

Le nombre des diodes est : D = 2(3 – 2) = 2.

Par la superposition de deux interrupteurs élémentaires alimenté chacun par une source de tension

continue distincte

A l’aide d’un diviseur de tension capacitif formé par les condensateurs C1 et C2 de même capacité,

on obtient deux sources secondaires de tension continue délivrant chacune un potentiel à demi

tension E/2. Cette structure crée alors un point neutre O entre les condensateurs C1 et C2 [7].

Figure 2 Onduleur NPC 3 niveaux

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Figure 3 Commutation des

interrupteurs du convertisseur

NPC 3 niveaux

Les transistors IGBTs en série avec un point commun relié par une diode au point neutre O. Des

diodes antiparallèles sur les transistors assurent la réversibilité des courants de la charge.

Lors du passage d’une configuration à une autre, il faut laisser un petit intervalle de temps entre la

commande à l’ouverture de l’interrupteur qui doit s’ouvrir et la commande à la fermeture de

l’interrupteur complémentaire pour éviter la mise en court-circuit des condensateurs C1 ou C2.

Principe de fonctionnement :

La tension de sortie Vs entre les bornes de la charge et le point neutre o est entièrement définie par

l’état (0 ou 1) des quatre interrupteurs Ka1, Ka2, Ka3 etKa4. Lorsque la source de tension est

génératrice et la charge est réceptrice, le courant passe à travers les transistors. Lorsque le transfert

d’énergies effectue de la charge vers la source d’entrée, ce sont les diodes antiparallèles qui assurent

le passage du courant. Cette tension Vao (Vs) doit prendre les trois potentiels (-E/2, 0, E/2) d’où

l’appellation onduleur à trois niveaux.

Tableau I.1 : Table de commutation du convertisseur NPC 3 niveaux

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I.2.6.2.b Onduleur multiniveaux de type FC à 3 niveaux :

Le convertisseur à condensateurs flottants (Flying Capacitor Multilevel Inverters) ou convertisseur

multicellulaire est une topologie de conversion d’énergie qui repose sur la mise en série

d’interrupteurs commandés. Elle est apparue au début des années 1990 à la suite d’un brevet déposé

par Meynard et Foch.

Cet onduleur est obtenu par raccordement de cellules de condensateurs de bouclage. Le premier

avantage de cette topologie est l’absence des diodes de bouclage propres aux topologies des

onduleurs NPC et MPC. De plus, les contraintes en tension imposées aux composants de puissance

sont naturellement limitées : on note une faible valeur de dv/dt aux bornes des composants.

Des ‘’redondances’’ de commutation dans les séquences de fonctionnement introduisent des états

qui peuvent être utilisés pour le maintien de l’équilibre des charges des condensateurs. Ainsi, par

phase, une seule source DC est nécessaire. Les onduleurs FC peuvent présenter des nombres pairs ou

impairs de niveaux, comme montre la figure 4[16] [5] [1].

Figure 4 Onduleur FC 3 niveaux

Principe de fonctionnement de l’onduleur FC :

Pour éviter de court-circuiter les sources de tension, les interrupteurs T1 et T1b, ou T2 et T2b doivent

être commandés de manière complémentaire. Ces deux couples d’interrupteurs forment alors deux

cellules de commutation.

Cette structure permet d’avoir trois niveaux de tension en sortie -E/2, 0 et E/2.

P a g e 10 | 106

Figure 5 Réalisation des différents niveaux de tension avec l’onduleur FC 3Niveaux

Les différentes possibilités sont résumées dans le Tableau

Tableau I.2 : Réalisation des différents niveaux pour l’onduleur FC à 3 niveaux

Le FC a quelques inconvénients comme :

Le contrôleur de la charge du condensateur augmente la complexité du contrôle du circuit

entier ;

Il exige des condensateurs mis en parallèle, dont, les forts courants pourront circuler à travers

ces condensateurs ;

Il existe un potentiel de résonance parasite entre les condensateurs découplés.

Pour un onduleur à k niveaux, le nombre des éléments constituant la topologie : s pour la source DC,

bc pour les bancs de condensateurs, n pour les transistors de puissance est donné, pour chaque phase,

par les relations suivantes

𝑠 = 1 𝑛 = 2 ∗ (𝑘 − 1)

𝑏𝑐 = (𝑘 − 2) I-5

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I.2.6.2.c Onduleur multiniveaux de type pont en H à 3 niveaux :

Le premier modèle d’onduleur était l'onduleur en pont H (en anglais H-bridge), apparu en

1975. Un progrès des onduleurs multiniveaux a été dû au modèle en pont H cascadé en série. La

première application d’onduleur pont H était pour la stabilisation des plasmas en 1988.

Les sorties des onduleurs en pont sont connectées en série de telle sorte que l’onde de la tension

synthétisée soit la somme des tensions de sortie. L’avantage majeur de cette approche est que le

nombre de paliers sur le motif de la tension de sortie peut être augmenté sans aucun ajout de

nouveaux composants. L’utilisation de cellules de conversion de puissance en série permet

d’accroître le nombre de niveaux de tension et de puissance du convertisseur. Mais l’inconvénient

majeur de cette topologie est le grand nombre de tensions continues isolées et exigées pour chaque

pont [3] [8] [5].

Principe de fonctionnement de l’onduleur pont en H :

En comparaison avec les deux topologies précédentes, nous remarquons que nous pouvons obtenir

le même nombre de niveaux avec le même nombre d’interrupteurs et sans diodes de calage ni de

capacités flottantes. Néanmoins, pour chaque paire de niveaux additionnelle il faut une source de

tension supplémentaire, ce qui représente un inconvénient majeur pour cette topologie.

Tableau I.3 : Tableau de commutations du convertisseur en H

Figure 6 Convertisseur pont en H 3 niveaux

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Figure 7 Commutation des interrupteurs de l'onduleur pont en H

I.2.6.2.d Onduleur multiniveaux de type MNP à 3 niveaux :

Cet onduleur multiniveaux est une nouvelle extension appelé ‘Multi Neutral Clamped’.

La topologie de l’onduleur MNP découle des onduleurs NPC et pont en H. Cette topologie supprime

toutes les diodes de bouclage et utilise des transistors IGBT formant un montage bidirectionnel. Ce

montage permet de développer une commande simple réalisée à l’aide d’une seule porteuse quel que

soit le nombre de niveaux de l’onduleur [6] [9]

Figure 8 Onduleur multiniveau de type MNP

Hypothèse

L’onduleur MNP comporte des interrupteurs monodirectionnels sur les bras extérieurs (premier de

deuxième étages) et bidirectionnels pour les autres bras.

Les interrupteurs dits ‘’positifs’’ sont ceux qui conduisent le courant de la source vers la charge et on

les numérote de 1 à n-1, tandis que les autres interrupteurs, dits ‘’négatifs’’, sont numérotés de n à

2n-2.

P a g e 13 | 106

Figure 9 Configuration impair des onduleurs multiniveaux de de

types MNP

Pour les niveaux impaires, l’étage de tension zéro comportera l’interrupteur positif de numéro (n+1)

/2 et l’interrupteur négatif de numéro 3(n-1) /2.

L’onduleur ainsi présenté peut contenir une structure globale disposant des niveaux pairs et impairs

supérieurs à 2.

Dans le cas général, la figure I.8montre un onduleur MNP avec un nombre impair de niveaux et la

figure I.9avec un nombre pair.

Figure 10 Configuration pair des onduleurs multiniveaux de types MNP

Dans les cas d’un onduleur avec un niveau impair, le tableau I.4 présente les différentes possibilités

de la formation de la tension de sortie. Sur ce tableau, la colonne de gauche présente les différentes

tensions d’entrée aux bornes des condensateurs, et la colonne ‘bras ’, les interrupteurs [11].

Par exemple, si nous voulons avoir une tension de sortie symétrique :

A deux niveaux, nous devrons commander les interrupteurs des bras symétriques (exemple,

selon la Figure I.10 : 1 et n, ou 2 et n-1, ou 3 et n-2 …)

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A trois niveaux, nous devrons commander les interrupteurs des bras symétriques (exemple,

selon la Figure I.10 : 1 et n, ou 2 et n-1, ou 3 et n-2 …) et aussi le bras central à 0V

A n niveaux, nous devrons commander tous les interrupteurs des bras

L’avantage de ce nouvel onduleur est de fonctionner en mode dégradé, ce qui n’est pas le cas dans

les autres modèles. Ceci montre la très grande souplesse de cette configuration.

Voici un tableau qui représente le nombre des composants électroniques dans l’onduleur MNP.

Tableau I.4 : nombre des composants électroniques dans les différents types d’onduleur

Figure 11 Commutation des interrupteurs du convertisseur MNP à n niveaux

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Principe de fonctionnement de l’onduleur multiniveaux MNP à 3 niveaux

La figure 12 montre la configuration de l’onduleur MNP à 3 niveaux.

Pour un onduleur MNP, dans le cas d’une répartition identique de tension de l’étage continue (U),

aux bornes de chaque condensateur Vcapa, nous avons :

∆𝑉𝑐𝑎𝑝𝑎 =∪

𝑛−1I-6

Ainsi, le potentiel d’un bras à l’autre se déduit de proche en proche et de façon récurrente par :

Vi+1=Vi-∆𝑉𝑐𝑎𝑝𝑎 I-7

Si on suppose que la tension du premier et dernier bras est |U / 2|, dontV1=U/2,

V n = −U / 2 eti ∈ [1, n] I-8

Pour les contraintes électriques, par exemple dans le cas d’un onduleur MNP à 3 niveaux, la tension

aux bornes de chaque IGBT dans l’état passant et bloqué peut être calculée comme suit :

Si T1, T2, T3 et T4 sont bloqués :

Si T1est passant :

Figure 12 Structure de l'onduleur MNP à 3

niveaux

P a g e 16 | 106

Si T4 est passant :

Si T2 est passant :

Si T3 est passant :

I.2.6.2. d.1 Analyse topologique de l’onduleur MNP :

L’analyse topologique effectue l’étude des séquences de configurations du convertisseur.

Elle met alors en évidence les séquences physiquement réalisables et les séquences interdites.

I.2.6.2.d.1.aLes configurations valides

Les configurations valides sont des séquences qui ne portent pas atteinte à l’intégrité des transistors

de puissance. Pour faciliter la compréhension, le cas d’un onduleur MNP à 3 niveaux, nous étudions

pour le courant positif dans la charge ; le même raisonnement peut être appliqué pour un courant

négatif avec les interrupteurs appropriés.

P a g e 17 | 106

Sur le tableau I.5, ‘’1’’ indique un état passant de l’interrupteur, ‘’0’’ : un état bloqué, et ‘’*’’ : un

état quelconque. Nous montrons les configurations valides, quand le courant de la charge est positif.

Les séquences de configurations associées à ce tableau sont données sur les figures 13 et la figure 14

a) La circulation du courant dans le cas I>0 et V>0

b) La circulation du courant dans le cas I>0 et V>0, en commutant T1 et T2 en même temps.

Figure 13 a) ;b) configuration positive validé d'un onduleur MNP 3 niveaux

Tableau I.5 : État des interrupteurs pour un courant de charge

positive

Tableau I.6 : État des interrupteurs pour un courant de charge

positive

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c) La circulation du courant dans le cas I>0 et V=0

d) La circulation du courant dans le cas I>0 et V<0

Figure 14 c) ;d) configuration à l'état de la sortie égale à zéro et négative de l'onduleur MNP

Sur la figure 12-b, le transistor T2 peut être commandé ou non car la diode DT3 est toujours en

blocage inverse.

I.2.6.2.d.1.bLes configurations interdites

Les configurations interdites sont celles qui risquent de porter atteinte à l’intégrité d’onduleur. Elles

sont essentiellement dues à des courts-circuits des sources de tension. Dans l’onduleur MNP, on ne

rencontre jamais d’ouverture de source de courant grâce aux diodes antiparallèles. La figure 14 et la

figure 15 montrent les combinaisons interdites des interrupteurs.

Figure 15 Court-circuit de V1

P a g e 19 | 106

Figure 16 Court-circuit V1+V2

Figure 17 Court-circuit V2

P a g e 20 | 106

I.3 modulation de largeur d’impulsion :

I.3.1 principe de largeur d’impulsion

La modulation MLI consiste alors à former chaque alternance d’une tension de sortie d’une

succession de créneaux de largeur convenable, en adaptant une fréquence de commutation

supérieure à la fréquence des grandeurs de sortie de l’onduleur.

Ainsi, elle permet de repousser, vers des fréquences élevées, les harmoniques de la tension de

sortie ; ce qui facilite le filtrage. Aussi, la multiplication du nombre des impulsions, formant

chacune des alternances d’une tension de sortie, offre la possibilité de moduler la forme de cette

tension et d’obtenir une forme d’onde approximant au mieux la sinusoïde.

La génération des signaux de commande de la modulation MLI se fait le plus souvent en

temps réel. On détermine ainsi les instants d’ouverture et de fermeture des interrupteurs à l’aide

d’une électronique de commande analogique ou numérique ou éventuellement une combinaison des

deux. Pour assurer la détermination en temps réel des instants de fermeture et d’ouverture des

interrupteurs, on distingue plusieurs de modulation de largeur d’impulsion mais on s’intéresse

uniquement la modulation sinusoïdale.

I.3.2 Modulation sinusoïdale :

La modulation sinusoïdale consiste à utiliser les intersections d’une onde de référence ou

modulante, généralement sinusoïdale, avec une onde de modulation ou porteuse, généralement

triangulaire. Cette technique exige une commande séparée pour chacune des phases de l’onduleur.

La figure ci-dessous illustre le principe de base de cette technique.

Figure 18 Schéma de principe de la technique triangulo-sinusoïdale

P a g e 21 | 106

Les caractéristiques de la modulation sinusoïdale sont :

L’indice de modulation m égal au rapport de la fréquence fc de la porteuse à la

fréquence fm de la référence : m = fc/fm

Le cœfficient de réglage r égale au rapport de l’amplitude Am de la référence à

l’amplitude crête Ac de la porteuse : r = Am/Ac

Modulation sinusoïdale unipolaire ou simple triangle

Cette technique compare un signal de référence uniquement positif avec un signal sinusoïdal. Elle

permet d’avoir à la sortie des courbes de tensions presque sinusoïdale.

Durant toutes les simulations dans ce travail, nous avons appliqué cette commande à ces 4

onduleurs.

Figure 19 Modulation largeur d'impulsion

I.4 conclusion : Ces 4 différentes topologies présentent des avantages intéressants, dont chacun correspond à un type

d’application déterminé permettant d’atteindre les performances recherchées.

Ce chapitre nous a montré profondément leurs principes de fonctionnement, dans le but de nous

apprendre la manipulation de ces convertisseurs.

Dans le chapitre suivant, nous allons consacrer notre temps à simuler ces topologies à 3 niveaux avec

l’application de la nouvelle technique de commande et en les comparant par leurs taux

d’harmoniques en tension et courant afin de comprendre ces intérêts et on va prendre un de ces

convertisseurs pour étudier la vitesse de la machine asynchrone selon la fréquence de commande.

P a g e 22 | 106

Chapitre II : Simulation des onduleurs à 3 niveaux selon

la charge II.1 Introduction Aujourd'hui, plusieurs outils de simulation parmi lesquels MATLAB/Simulink, sont utilisés dans

l’industrie et dans les milieux universitaires.

La simulation de ce travail est faite par l’utilisation d’un logiciel MATLAB/Simulink 2007 qui est

destiné principalement au calcul scientifique de la modélisation et de la simulation, le noyau de

calcul est associé à l’environnement SIMULINK permettant une modélisation basée sur des schémas

blocs. Pour la plupart des domaines scientifiques nécessitant des moyens des calculs importants :

automatique, traitement de signal, mathématique appliquées à base de l’algorithme ODE 45 qui

donne les meilleurs résultats pour notre travail.

A l’aide de la simulation on a pu visualiser les courbes de réponse. L’exploitation des courbes

ultérieures est réalisée à l’aide des blocs.

Dans notre travail on va simuler les 4 onduleurs à 3 niveaux commandés par la modulation largeur

d’impulsion et par la modulation sinusoïdale. Puis nous allons simuler l’évolution de la vitesse en

variant la fréquence de la commande.

P a g e 23 | 106

II.2 simulation Onduleur 3 niveaux de type NPC :

II.2.1 Charge RL :

Dans cette simulation R=10Ω ; L=40mH ; E/2= E1/2=400V.

Commande simple

Séquence de la commande :

D’après le principe de fonctionnement en chapitre I.

Voici les séquences de commutations des interrupteurs

en une période.

Figure 20 Séquence de la commande des interrupteurs

Courbe de tension en sortie

Avec cette commande, on génère un système de trois

tensions triphasé équilibrée

Figure 21 Allure de la tension

Modulation sinusoïdale

Séquence de la commande

La figure ci-dessous représente la modulation modifie :

Figure 25 Modulation sinusoïdale

Avec cette modulation, voici les séquences de

commutations des interrupteurs :

Figure 26 les interrupteurs en commutation

P a g e 24 | 106

Taux d’harmoniques en tension

Figure 22 Spectre d’harmonique de tension de

l'onduleur NPC à 3 niveaux

Allure du courant en sortie

Les courants selon les signaux de la commande :

Figure 23 Allure des courants en sortie triphasé

Courbe de tension en sortie

Selon cette commande, l’onduleur génère des tensions

triphasées bien équilibrées :

Figure 27 Les tension de sortie MLI


Figure 28 Spectre d'harmoniques en tension commande

MLI

P a g e 25 | 106

Taux d’harmonique en courant

Figure 24 Spectre d'harmoniques de courant de

l'onduleur NPC

Observation des résultats

Avec les séquences de commutations des interrupteurs

de la Figure 19, nous avons obtenus un THD =

29,32% en tension et 20,07% en courant (la Figure 21,

la Figure 23).

Les courbes de courants en sortie

Figure 29 Allure des courants MLI


Figure 30 THD du courant en commande MLI


Nous avons obtenus un THD = 29,32% en tension et

3,67% en courant (la Figure 21, la Figure 30).

P a g e 26 | 106

II.3 simulation Onduleur 3 niveaux de type pont en H

II.3.1 Charge RL :

R=10Ω ; L=40mH ; E/2= E1/2=400V.

Commande simple

Pour avoir 3 niveaux de tension en onduleur pont en H la

figure 30 montre les niveaux bas et haut des interrupteurs :

Figure 31 les signaux de commandes des interrupteurs

Les tensions en sortie

Figure 32 les allures de tensions triphasées

Commande en modulation sinusoïdale

La Figure 36 montre la modulation pour commander les

interrupteurs selon leur principe de fonctionnement.

Voici alors la modulation :

Figure 36 Principe du signal de commande

D’après cette modulation de la Figure 35, la Figure 36

montre les signaux de commandes des interrupteurs.

Figure 37 les signaux de commandes des interrupteurs

P a g e 27 | 106


Figure 33 Spectre d'harmoniques en courant onduleur pont

en H

Allures des courants

Figure 34 les courants en sortie


Figure 38 allures des tensions en sortie

Taux d’harmonique en tension

Figure 39 Spectre d'harmonique de tension de l'onduleur

pont en H

P a g e 28 | 106

Taux d’harmoniques en courant

Figure 35 Spectre d'harmonique en courant de l'onduleur

pont en H


Avec les commandes qu’on a appliquées, nous avons

obtenus un THD= 30.39 % en tension et un THD= 9.79%

en courant.

Les courants en sortie

Figure 40 Allure des courants en sortie

Taux d’harmoniques en courent

Figure 41 Spectre d'harmonique en courant de l'onduleur pont

en H


Vue de la commande qu’on a appliquée, nous avons

obtenus un THD= 23.34% en tension et un THD= 7.96%

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II.4 simulation Onduleur 3 niveaux de type pont MNP

II.4.1 Charge RL :

R=10Ω ; L=40mH ; E/2= E1/2=400V.

Commande simple

Les séquences de commutations des interrupteurs :

Figure 42 commutations des interrupteurs


Figure 43 les tensions de sortie de l'onduleur MNP

Commande MLI : modulation sinusoïdale

Voici le principe de signal pour la commande des

interrupteurs :

Figure 47 signal de commande

Les signaux de commandes de chaque interrupteur

Figure 48 les commutations des interrupteurs

P a g e 30 | 106


Figure 44 Spectre en harmonique de la tension de

l'onduleur MNP

Les courants de sortie

Figure 45 les courants de l'onduleur MNP en sortie


Figure 49 Allure des tensions en sortie


Figure 50 Spectre d'harmonique du courant de l'onduleur

MNP

P a g e 31 | 106



MNP


Nous avons obtenu un THD = 23.45% en tension et un

THD = 13.94 en courant selon les résultats de la

simulation


Figure 51 Allure des courants de l'onduleur MNP



MNP

Observation des résultats :

THD en tension = 23.13%

THD en courant = 6.61%

P a g e 32 | 106

II.5 simulation Onduleur 3 niveaux de type FC

II.5.1 Charge RL :

R=10Ω ; L=40mH ; E/2= E1/2=400V.

Commande simple

La Figure 52 montre les séquences de commutations des

interrupteurs :

Figure 53 les commutations des interrupteurs de

l'onduleur FC


Figure 54 Allure des tensions de l'onduleur FC

Commande MLI : modulation sinusoïdale

La modulation appliquée pour la commande :

Figure 58 principe du signal de commande

Les séquences des commutations pour commander les

interrupteurs :

Figure 59 les commutations des interrupteurs de

l'onduleur FC

P a g e 33 | 106

Taux d’harmonique

Figure 55 Spectre d'harmonique de la tension de

l'onduleur FC

Allure des courants en sortie

Figure 56 les courants de sorties de l'onduleur FC


Figure 60 allure des tensions en sortie de l'onduleur FC

Taux d’harmonique du courant


FC

P a g e 34 | 106



FC

Observation des résultats :


THD en courant = 9.30%

Allure des courants en sortie

Figure 62 allure des courants en sortie de l'onduleur FC

Taux d’harmonique en courent


FC



THD en courant = 7.96

P a g e 35 | 106

Le tableau suivant résume les résultats obtenus :

Tableau 7 comparaison des onduleurs à 3 niveaux

Type d’onduleur

Type de

commande

Onduleur NPC à 3

niveaux

Onduleur pont en

H à 3 niveaux

Onduleur MNP à 3

niveaux

Onduleur FC à 3

niveaux

Commande simple THDcourant =20.07%

THDtension = 29,32%

THDcourant =9.79%

THDtension =30.39 %

THDcourant = 13.94%

THDtension =23.45%

THDcourant = 9.30%

THDtension =20.45%

Commande MLI THDcourant =3.67%

THDtension = 35.74%

THDcourant =7.96%

THDtension =23.34%

THDcourant = 6.61%

THDtension =23.13%

THDcourant =7.96%

THDtension =23.28%

II.6 Interprétation des résultats de chaque simulation des onduleurs à 3 niveaux :

Selon les résultats obtenus, en générale, les onduleurs à 3 niveaux présentent des avantages

intéressants, les allures des tensions et des courants de chaque simulation sont presque proches de la

fonction sinusoïdale.

Par comparaison entre les commandes, la commande simple offre des résultats captivants mais

aujourd’hui la demande en norme de qualité est exigée. C’est pourquoi plusieurs des centres de

recherches travaillent sur la technique de modulation appelée MLI avec cette commande les taux

d’harmoniques en courants diminuent considérablement.

P a g e 36 | 106

II.7 simulation des onduleurs à 3 niveaux : charges machine asynchrone :

Dans cette simulation nous allons voir, les différents résultats tels que les onduleurs à 3 niveaux sont

chargés d’une machine asynchrone. Comme les paragraphes précédents, on va utiliser la commande

simple ou pleine onde et la commande MLI.

II.7.1 onduleur de type NPC et moteur asynchrone :

Commande simple

Les allures en tension

Figure 64 les tensions triphasées de l'onduleur

NPC MAS


Figure 65 Spectre d'harmonique en tension NPC

MAS

Commande MLI


Figure 70 Les tensions triphasées NPC MLI

La figure 70 représente les tensions composées

commande par MLI


Figure 71 Spectre d’harmonique tension NPC MAS

P a g e 37 | 106

Les allures en courant

Figure 66 les courants en sortie de l'onduleur NPC

MAS

Figure 67 courants en charge

La figure 65 montre les courants statoriques des

phases (Ia,Ib,Ic), de la machine, on remarque un

appel de courant (I = 50 A) au démarrage, puis une

stabilité en marche à vide (I = 5 A), en appliquant

une charge de Cr=15 N.m, à l’instant t = 1 s, on

remarque une augmentation de courant (I = 10 A),

La figure 66 représente le Zoom des courants

staroriques (Ia, Ib ,Ic), on remarque que le courant

prend sa forme sinusoïdale.

Les allures en courant

Figure 72 les courants NPC MAS

Figure 73 zoom courants en charges NPC MAS


phases (Ia,Ib,Ic), de la machine, on remarque un appel

de courant (I = 50 A) au démarrage, puis une stabilité

en marche à vide (I = 5 A), en appliquant une charge

de Cr=15 N.m, à l’instant t = 1 s, on remarque une

augmentation de courant (I = 10 A),


staroriques (Ia, Ib, Ic), on remarque que le courant prend

sa forme sinusoïdale.

P a g e 38 | 106


Figure 68 Spectre d'harmonique NPC MAS

Allure de la vitesse et couple

Figure 69 la vitesse et couple NPC MAS


Figure 74 Spectre d'harmonique en courant MLI MAS

Allure de la vitesse et couple

Figure 75 la vitesse et couple NPC MAS

P a g e 39 | 106

Observation de la vitesse

D’après la figure 69 ; 75, au démarrage et pendant le régime transitoire la vitesse est presque

linéaire. Puis elle atteint sa valeur nominale à vide de 157 rad /s. Lorsque la MAS fonctionne en

charge, on remarque qu’il y a une diminution de cette valeur Ω =153 rad/s.

Observation du couple électromagnétique

Selon la figure 68 ; 75 la variation du couple électromagnétique pour des différents modes de

fonctionnement, on observe que :

lorsque t ϵ [0, 0.2 s], au démarrage, le couple atteint une valeur maximale qui est égal à 90N.m

pour la Figure 69 et 60 N.m pour la Figure 75. Pendant cet intervalle on remarque qu’il y a des

oscillations, ce qui implique le régime transitoire.

lorsque t ϵ [0.2, 1 s], le couple électromagnétique se stabilise vers une valeur moyenne qui est égale

0 N.m, ce qui implique le fonctionnement à vide de la machine.

A l’instant t = 1 s, on applique une charge mécanique d’une valeur 15 N.m, dans ce cas la machine

prend cette valeur, bien sûr après un temps de réponse avec des ondulations (ou oscillations) qui sont

compris entre [10÷ 20 N.m].

II.7.2 Interprétation des résultats de l’onduleur NPC et MAS :

Les analyses spectrale d’harmonique en tension de la Figure 65 et la Figure 71, montrent que le

THD = 17.34% en commande simple est nettement faible par rapport à la commande MLI qui a un

THD= 23.37%.

En revanche, les analyse d’harmonique en courant de la Figure 68 et la Figure 74, montrent biens

l’importance de la commande MLI, un THD = 2.61%, par rapport à la commande simple un THD =

4.23%.

P a g e 40 | 106

Commande simple

Les allures de tensions

Figure 76 allures des tensions composées de l'onduleur

pont en H MAS


Figure 77 Spectre d’harmonique en tension onduleur pont

en H

Commande MLI

Les allures de tension composées

Figure 82 les tensions composées pont en H MAS


Figure 83 Spectre d'harmonique en tension onduleur Pont

en H

II.7.3 onduleur de type H et moteur asynchrone

P a g e 41 | 106

Les allures de courant

Figure 78 Allure des courants en charges pont en H

MAS

Figure 79 valeurs des courants en charges pont en H

MAS


phases (Ia, Ib ,Ic) de la machine, on remarque un appel

de courant (I = 50 A) au démarrage, puis une stabilité





staroriques (Ia ,Ib ,Ic), on remarque le courant prend sa

forme sinusoïdale.


Figure 84 les courants de phases en sortie

Figure 85 les allures des courants en charge

La figure 83 montre les courants statoriques des phases

(Ia,Ib,Ic) de la machine, on remarque un appel de courant (I

= 50 A)au démarrage, puis une stabilité en marche à vide

(I = 5 A), en appliquant une charge de Cr=15 N.m, a

l’instant t = 1 s, on remarque une augmentation de courant

(I = 10 A),

La figure 84 représente le Zoom des courants staroriques

(Ia,Ib,Ic), on remarque le courant prend sa forme

sinusoïdale.

P a g e 42 | 106


Figure 80 Spectre d'harmonique en courant pont en H

MAS

Allure de la vitesse et du couple

électromagnétique

Figure 81 la vitesse et le couple électromagnétique pont en

H MAS


Figure 86 Spectre d'harmonique en courant Pont en H


électromagnétique

Figure 87 la vitesse et le couple électromagnétique en

commande MLI pont en H

P a g e 43 | 106


D’après la figure 81 ; 87, au démarrage et pendant le régime transitoire, la vitesse est presque

linéaire puis elle atteint sa valeur nominale à vide de 157 rad /s. Lorsque la MAS fonctionne en



Selon la figure 80 ; 86la variation du couple électromagnétique pour des différents modes de


Lorsque t ϵ [0, 0.2 s], au démarrage, le couple atteint une valeur maximale qui est égal à 120

N.m pour la Figure 80et 60 N.m pour la Figure 86. Pendant cet intervalle on remarque qu’il

y a des oscillations ce qui implique le régime transitoire.

Lorsque t ϵ [0.2, 1 s], le couple électromagnétique se stabilise vers une valeur moyenne qui

est égale 0 N.m, ce qui implique le fonctionnement à vide de la machine.

A l’instant t = 1 s, on applique une charge mécanique d’une valeur 15 N.m, dans ce cas la

machine prend cette valeur, bien sûr après un temps de réponse avec des ondulations (ou

oscillations) qui sont compris entre [10 ÷ 20 N.m].

II.7.4 Interprétation des résultats de l’onduleur pont rn H et MAS :


THD = 23.13% en commande MLI est nettement faible par rapport à la commande simple qui a un

THD= 30.12%.

Et les analyses d’harmonique en courant de la Figure 79 et la Figure 85, montrent biens

l’importance de la commande MLI, un THD = 2.60%, par rapport à la commande simple un

THD = 8.51%.

P a g e 44 | 106

II.7.5 onduleur de type MNP et moteur asynchrone :

Commande simple


Figure 88 les tensions en sortie du moteur asynchrone

selon la commande simple


Figure 89 Spectre d'harmonique en courant commande

simple MNP et MAS

Commande MLI


Figure 94 les tensions composées MLI


Figure 95 Spectre d'harmonique en commande MLI

P a g e 45 | 106

Les allures de courants

Figure 90 les courants du moteur asynchrone en charge

MNP

Figure 91 allure des courants en charge MAS MNP


(Ia,Ib,Ic) de la machine, on remarque un appel de courant

(I = 50 A) au démarrage, puis une stabilité en marche à

vide (I = 5 A), en appliquant une charge de Cr=15 N.m,

a l’instant t = 1 s, on remarque une augmentation de

courant (I = 10 A),


staroriques (Ia,Ib,Ic), on remarque le courant prend sa

forme sinusoïdale.

Les allures de courants

Figure 96 les courant s du moteur asynchrone en charge

MLI

Figure 97 Allure des courants en charge MLI



= 50 A),au démarrage, puis une stabilité en marche à vide

(I = 5 A), en appliquant une charge de Cr=15 N.m, à


(I = 10 A),

La figure 96 représente le Zoom des courants staroriques

(Ia,Ib,Ic), on remarque le courant prend sa forme

sinusoïdale.

P a g e 46 | 106


Figure 92 Spectre d'harmonique du courant MNP MAS


électromagnétique

Figure 93 la vitesse et le couple électromagnétique

commande simple


Figure 98 Spectre d'harmonique en courant en commande

MLI

Allure de la vitesse et du couple électromagnétique

Figure 99 la vitesse et le couple électromagnétique en

commande MLI

P a g e 47 | 106


D’après la figure 93 ; 99, au démarrage et pendant le régime transitoire, la vitesse est presque

linéaire puis elle atteint sa valeur nominale à vide de 157 rad /s. Lorsque la MAS fonctionne en



Selon la figure 93 ; 99 la variation du couple électromagnétique pour des différents modes de


Lorsque t ϵ [0, 0.2 s], au démarrage, le couple atteint une valeur maximale qui est égal à

60N.m. Pendant cet intervalle on remarque qu’il y a des oscillations ce qui implique le

régime transitoire.






II.7.6 Interprétation des résultats de l’onduleur MNP et MAS :


THD = 23.14% en commande MLI est nettement faible par rapport à la commande simple qui a un

THD= 23.45%.

Et les analyse d’harmonique en courant de la Figure 92 et la Figure 98, montrent biens l’importance

de la commande MLI, un THD = 3.76%, par rapport à la commande simple un THD = 7.48%.

P a g e 48 | 106

II.7. Onduleur de type FC et moteur asynchrone :

Commande simple

Allure des tensions composées

Figure 100 les tensions composées de l'onduleur FC


Figure 101 Spectre d'harmonique en tension de

l’onduleur FC

Commande MLI


Figure 106 Allure des tensions composées MLI FC


Figure 107 Spectre d'harmonique en tension MLI FC

P a g e 49 | 106

Les allures du courent en sortie

Figure 102 les courants du moteur asynchrone en

charge FC

Figure 103 Allure des courants en charge

La figure 101montre les courants statoriques des

phases (Ia,Ib,Ic) de la machine, on remarque un appel

de courant (I = 40 A)au démarrage, puis une stabilité





staroriques (Ia,Ib,Ic), on remarque que le courant

prend sa forme sinusoïdale.

Les allures du courent en sortie

Figure 108 les courants du moteur asynchrone en charge

MLI FC

Figure 109 allure des courants en charges MLI FC



= 40 A) au démarrage, puis une stabilité en marche à vide

(I = 5 A), en appliquant une charge de Cr=15 N.m, à


(I = 10 A),


staroriques (Ia,Ib,Ic), on remarque que le courant prend sa

forme sinusoïdale.

P a g e 50 | 106


Figure 104 Spectre d'harmonique en courant FC

La vitesse et le couple électromagnétique

Figure 105 la vitesse et le couple électromagnétique

du moteur en commande simple


Figure 110 Spectre d'harmonique en courant MLI FC


Figure 111 la vitesse et le couple électromagnétique du

moteur en commande MLI

P a g e 51 | 106


D’après la figure 105 ; au démarrage et pendant le régime transitoire, la vitesse est presque linéaire

puis elle atteint sa valeur nominale à vide de 160 rad /s. Lorsque la MAS fonctionne en charge, on

remarque qu’il y a une diminution de cette valeur Ω =135 rad/s.

Or la figure 111 ; au démarrage et pendent le régime transitoire la vitesse est presque linéaire puis

elle atteint sa valeur nominale à vide de 157 rad /s. lorsque la MAS fonctionne en charge, on

remarque qu’il y a une diminution de cette valeur Ω =153 rad/s.


Selon la figure 105 ; la variation du couple électromagnétique pour des différents modes de


lorsque t ϵ [0, 0.2 s], au démarrage, le couple atteint une valeur maximale qui est égal à 40

N.m. Pendant cet intervalle on remarque qu’il y a des oscillations ce qui implique le régime

transitoire.

lorsque t ϵ [0.2, 1 s], le couple électromagnétique se stabilise vers une valeur moyenne qui





Selon la figure 111 ; la variation du couple électromagnétique pour des différents modes de


Lorsque t ϵ [0, 0.2 s], au démarrage, le couple atteint une valeur maximale qu’est égal à 60

N.m. Pendant cet intervalle on remarque qu’il y a des oscillations ce qui implique le régime

transitoire.






P a g e 52 | 106

II.7.7 Interprétation des résultats de l’onduleur FC et MAS :


THD = 22.56% en commande simple est nettement faible par rapport à la commande MLI qui a un

THD= 23.35%.

Et les analyse d’harmonique en courant de la Figure 104 et la Figure 110, montrent biens

l’importance de la commande MLI, un THD = 2.60%, par rapport à la commande simple un

THD = 8.23%.

II.8 Conclusion :

L’amélioration des performances d’un système d’entraînement d’une machine asynchrone passe par

le choix d’une bonne stratégie de commande de l’onduleur d’alimentation.

Dans ce travail, nous avons montré, par simulation, que la stratégie MLI sinusoïdale présente des

meilleures performances par rapport à celles de la commande simple ou pleine onde. En fait, elle

permet de garantir une élimination des harmoniques surtout en courant. Ceci est l’avantage

d’augmenter sa performance. D’où le choix de cette stratégie dans la commande d’un onduleur

multiniveau alimentant une machine asynchrone de forte puissance.

Type d’onduleur

Type de

commande

Onduleur NPC à 3

niveaux

Onduleur pont en

H à 3 niveaux

Onduleur MNP à 3

niveaux

Onduleur FC à 3

niveaux

Commande simple THDcourant =4.23%

THDtension = 17,34%

THDcourant =8.51%

THDtension =30.12 %

THDcourant = 7.48%

THDtension=23.45%

THDcourant = 8.23%

THDtension =22.56%

Commande MLI THDcourant =2.61%

THDtension = 23.37%

THDcourant =2.6%

THDtension =23.13%

THDcourant = 3.76%

THDtension =23.14%

THDcourant =2.60%

THDtension =23.35%

P a g e 53 | 106

Chapitre III : Analyse de la variation de la vitesse du

moteur asynchrone par fréquence de commande pour

appliquer la régulation avec le correcteur PI

III.1 Introduction Dans un moteur électrique, il est important de comprendre le principe de son fonctionnement, afin de

contrôler sa vitesse.

Pour le moteur asynchrone, la vitesse est créée par des grandeurs physiques liées aux interactions

électromagnétiques entre le stator et le rotor. De ce fait, on peut l’examiner à partir des paramètres

externes qui alimentent le moteur, à l’occurrence les onduleurs à 3 niveaux.

D’après le chapitre précèdent, les onduleurs à 3 niveaux présentent de nombreuses avantages pour le

moteur asynchrone, diminution du taux d’harmoniques surtout pour les courants statoriques quel que

soit la commande utilisée.

Avec la commande MLI, plus précisément la commande par modulation sinusoïdale, il est possible

de varier la fréquence du signal de référence sinusoïdale comparé avec le signal porteur pour donner

un signal modulé qui déterminera les états des interrupteurs commandés.

Avec cette technique, les onduleurs à 3 niveaux sont considérés comme les parties de puissances des

variateurs de vitesses, un moyen de manipuler la vitesse du moteur asynchrone par fréquence. Mais

pour que l’entraînement à vitesse variable ait de bonnes performances en précision, en rapidité de

réponse et en robustesse, le variateur doit utiliser un système de régulation en boucle fermée.

D’abord, ce chapitre est consacré à analyser le variateur de vitesse pour bien comprendre la relation

entre la vitesse et la fréquence.

Ensuite, on va appliquer la régulation PI afin de contrôler la vitesse selon les analyses et la vitesse de

référence

P a g e 54 | 106

III.2 Analyse de la variation de la vitesse par fréquence de commande

III.2.1 Les éléments principales constituant du variateur de vitesse

Un variateur de vitesse constitue 2 éléments différents bien détermines :

La commande : elle envoi les signaux aux interrupteurs selon leurs états de conduire.

La puissance : elle est la partie entre la charge et la commande

La partie commande

Cette partie est l’élément clef du variateur de vitesse, elle est diviser en 2 étages distincts.

Source du signal sinusoïdal variable

Elle produit le signal de référence sinusoïdal variable en fréquence et en amplitude.

Sources des signaux modulés

C’est le générateur d’impulsion des interrupteurs de l’onduleur.

Les grandeurs de sorties seront en fonction des signaux modulés selon la commande.

Figure 112 la commande du variateur de vitesse

P a g e 55 | 106

La partie puissance

Elle est le contenu du variateur de vitesse qui le différencie avec un autre, ici la partie de puissance

est un onduleur pont en H et son niveau sera en fonction de la commande.

Dans ce travail, nous allons commander cet onduleur pour que le niveau soit égal à 3.

Figure 113 la partie puissance du variateur de vitesse

P a g e 56 | 106

III.2.1.1 les résultats de la simulation : moteur asynchrone à vide

La vitesse

Figure 114 Variation de la vitesse du moteur asynchrone par fréquence à charge vide

Dans la Figure 114 on voit bien que la vitesse augmente en fonction de la fréquence jusqu’à une

certaine valeur ou la fréquence n’est plus valable pour le moteur.

Ici le moteur asynchrone est à charge vide, sa vitesse maximale égale à 765 wm soit 7305 tr/mn à

260hz.

Figure 115 les oscillations de la vitesse

10hz

270h

z

P a g e 57 | 106

Figure 116 Zoom des oscillations de la vitesse

On remarque bien dans la figure 116 qu’à chaque changement de fréquence, il existe une oscillation

de vitesse avant d’être stable

Les courants statoriques

Figure 117 les allures des courants du moteur pendant la variation de vitesse

P a g e 58 | 106

Figure 118 Zoom des courants

La Figure 117,118présentent les allures des courants selon les fréquences envoyées par la

commande

Le couple électromagnétique

Figure 119 le couple au cours du changement de vitesse

P a g e 59 | 106

Figure 120 Zoom du couple électromagnétique

La Figure 118, 119 expose les reprises des oscillations du couple électromagnétique à chaque

variation de fréquence.

Les tensions de sorties

Figure 121 les tensions composées du variateur de vitesse

P a g e 60 | 106

Figure 122 Zoom des tensions composées

Selon la figure 120,121les allures de tensions sont liées avec la fréquence

III.2.1.2 interprétation des résultats de la simulation du moteur asynchrone à vide D’après les résultats obtenus, les grandeurs qui caractérisent le moteur asynchrone sont liées avec la

fréquence.


Pour la Figure 115, 119 la vitesse et le couple électromagnétique du moteur asynchrone traversent

un régime transitoire à chaque changement de fréquence. C’est-à-dire que la vitesse et le couple

électromagnétique varient pour une fréquence donnée avant d’atteindre la stabilité.

Les courants et les tensions

Pour la Figure 117, on aperçoit qu’il y a des piques de courants à chaque changement de fréquence

et par évidence ses périodes deviennent plus courtes.

La Figure 121, les allures des tensions sont aussi changées à cause de la fréquence qui engendrera la

modification de ses périodes mais toute en gardant les valeurs de chaque niveau (400 ; 0 ; -400).

III.2.1.2 les résultats de la simulation : moteur asynchrone en charge

Dans cette simulation, on va appliquer à la machine une charge mécanique d’une valeur 15 N.m

P a g e 61 | 106

La vitesse

Figure 123 Variation de la vitesse du moteur en charge

Figure 124 Zoom de la vitesse de moteur en charge

Dans la figure 123, la vitesse progresse jusqu’à 90Hz mais à 100Hz elle diminue rapidement.

Les petites flèches signalent les régimes transitoires à chaque passage d’une fréquence à une autre (la

figure 124).

P a g e 62 | 106

Les courants

Figure 125 les allures des courants du moteur en charge

D’après la Figure 125, les petites flèches noires indiquent la progression de vitesse normale lorsque

son accroissement est encore possible à chaque changement de fréquence tandis que les petites

flèches un peu claires indiquent là où l’accroissement n’est plus faisable.


Figure 126 le couple électromagnétique du moteur en charge

P a g e 63 | 106

Figure 127 Zoom du couple électromagnétique du moteur en charge

Le couple à valeur nul

La valeur du couple à 15N.m, le moteur est en charge

Allure du couple où l’accroissement de la vitesse n’est plus réalisable.

Transition du couple à chaque changement de fréquence


Figure 128 les tensions composées du moteur en charge

P a g e 64 | 106

Figure 129 Zoom des tensions composées du moteur en charge

III.2.1.3 interprétation des résultats de la simulation du moteur asynchrone en charge

Vitesse

Pendant que le moteur asynchrone est en charge, on a varié la fréquence de 10Hz jusqu’à une valeur

maximale, selon les résultats obtenus dans la Figure 122, la vitesse s’accroit jusqu’à 90 Hz avec une

valeur égale à 230 W.m soit 2160 tr/mn mais à 100 Hz la vitesse se dégrade rapidement pour

atteindre des valeurs négatives.

Le courant et la tension

Selon la Figure 124, il y a toujours une pique de courant à chaque changement de fréquence mais

lorsque la progression de vitesse n’est plus possible, la demande en courant devient important c’est la

raison d’existence des piques très élevés.

Et dans la Figure 127 ; 128, la période de la tension varie en fonction de la fréquence et sa valeur

moyenne reste constante.


La Figure 126, montre que, au début le couple est à valeur nul mais après il prend la valeur de la

charge 15 N.m même en changeant la fréquence.

P a g e 65 | 106

III.3 Application de la régulation de vitesse par le correcteur PI

III.3.1 Introduction de la régulation

Les analyses de vitesses de la partie précédente exposent bien que la vitesse du moteur asynchrone

varie en fonction de la fréquence de la commande.

Or on voit qu’à chaque changement de fréquence, le couple électromagnétique et le courant

traversent toujours le régime transitoire d’une courte durée.

Ce moment présente une demande d’énergie culminant pour le moteur asynchrone, un passage qui

montre sa fragilité à chaque changement de vitesse et qui pourrait entrainer la diminution de sa

performance. Alors pour éviter ce problème, la vitesse du moteur doit être asservie afin d’optimiser

sa performance : c’est la régulation : un moyen pour fixer et corriger la valeur de la vitesse en sortie

pour qu’elle soit légèrement égale à la valeur d’entrée. Il existe plusieurs correcteurs pour régler la

vitesse mais dans cette partie nous allons régler la vitesse avec le correcteur PI.

III.3.2 le principe de la régulation

Position du correcteur

D’une façon générale, un système asservi peut se montrer classiquement sous la forme de la Figure

129, où l’entrée ε(t) du processus est une grandeur de commande (à faible énergie) qui est amplifiée

au sein du processus pour réaliser la grandeur de sortie s(t).

Figure 130 Schéma bloc typique d’un système asservi

Lorsque le système ne satisfait pas naturellement les performances attendues, il est possible de

modifier son comportement en boucle fermée sans modifier le processus. Il s’agit d’adapter la

consigne d’entrée du processus en fonction de l’évolution de l’écart à la consigne ε(t). C’est le rôle

du correcteur (Figure 130).

P a g e 66 | 106

Il est implanté dans la partie commande, généralement positionné entre le comparateur et la chaîne

d’action, pour assurer :

– une correction efficace des perturbations (il est placé avant la perturbation),

– la "fraîcheur" de l’information de sortie du comparateur : ce signal n’a pas été modifié par les

différents constituants du système. Ses caractéristiques sont entièrement contrôlées et réglables

(technologie électronique ou informatique).

Figure 131 Schéma bloc d’un système asservi avec correction.

La fonction de transfert du correcteur est alors : C (s) =U (s)/ε(s)

Le correcteur présente plusieurs avantages :

– Il est peu coûteux et il est facilement modifiable car il manipule des grandeurs de commandes,

c’est à dire à faible énergie.

– Il est opérant car il agit directement sur la commande du processus.

Ce n’est cependant pas une solution miracle car il ne pourra jamais compenser des défauts de

conception majeurs du processus.

III.3.3 le correcteur PI

Figure 132 Asservissement avec correcteur proportionnel-intégral

D’après la Figure 131, le correcteur PI constitue 2 actions :

P a g e 67 | 106

Action proportionnelle

Une solution simple consiste à faire croire à la vitesse du moteur que l’écart à la consigne est K fois

plus grandes que l’écart réel pour amplifier sa réaction.

Action intégrale

Le système ne contribue pas vers la valeur de consigne, soit parce qu’il n’est pas précis, soit parce

qu’il est soumis à des perturbations. Les systèmes non précis sont ceux qui ont besoin d’énergie pour

maintenir la grandeur de sortie à la valeur de consigne. Pour un asservissement de vitesse, le moteur

doit être alimenté en énergie pour garder la vitesse de consigne. Or un correcteur proportionnel

conduit à une commande nulle (donc aucun apport d’énergie) lorsque la valeur de consigne est

atteinte. On comprend vite que la correction proportionnelle est insuffisante pour rendre ce type de

systèmes précis, sauf à avoir un gain très élevé [14].

Pour manœuvrer la valeur de sortie à la consigne, la partie commande doit donc augmenter la

grandeur de commande tant qu’une erreur subsiste. Une solution est de commander la vitesse du

moteur en fonction du cumul des écarts mesurés. C’est une correction intégrale.

La fonction de transfert de ce correcteur PI s’écrit :

III 1

III.3.4 Régulation de la vitesse du moteur asynchrone

L’équation mécanique liée à la vitesse

L'équation mécanique régissant la partie tournante de la machine est donnée par [12]. :

III 2

La relation de couple électromagnétique :

P a g e 68 | 106

III 3

Calcul du paramètre du correcteur de vitesse :

La boucle fermée de la régulation de la vitesse peut être représente par le schéma fonctionnel de (la

Figure 132) :

D'après l'équation mécanique, nous avons :

III 4

Et en considérant que la valeur du couple résistant Cr est nulle.

Donc on a :

Figure 133 Schéma bloc de régulation de la vitesse de rotation w

La fonction de transfert en boucle fermée est donnée comme suit :

III 5

Le dimensionnement du correcteur se fait à l'aide du principe d'imposition des pôles, comme le

polynôme caractéristique est du deuxième ordre, nous imposons deux pôles à partie réelle négative

pour assurer la stabilité en boucle fermée.

P a g e 69 | 106

Afin d'avoir une réponse avec amortissement relatif optimale, les pôles sont choisis complexes

conjugués avec partie réelle égale à partie imaginaire. Les pôles sont S12 = -ρ ± jρ et le polynôme

caractéristique s'écrit comme suit :

S2 + 2ρS + 2ρ2III 5

Par identification, nous obtenons les paramètres du régulateur proportionnel intégral PI :

III 6

La figure ci-dessous (Figure 134) représente le schéma de commande de la régulation de la vitesse

du moteur asynchrone :

P a g e 70 | 106

Figure 134 la régulation de la vitesse du moteur asynchrone

P a g e 71 | 106

III.3.4.1 Application de la régulation

La régulation PI

Figure 135 le correcteur PI

Produit entre les sources sinusoïdales de commande et la réponse en sortie du

correcteur PI

Figure 136 Régulation de la vitesse avec les sources sinusoïdales

Sortie du correcteur

Entrée de la correction



P a g e 72 | 106

Avec la formule en III 6, il est possible d’avoir plusieurs valeurs de Kp et Ki en imposant la valeur ρ.

Mais il faut respecter la marge tolérable de l’erreur tel que : W– W*= ε, ε soit dans la marge de

5% de la vitesse de référence, dans le but de rendre la régulation de vitesse plus intéressante.

III.3.4.2 les résultats de la régulation

Dans ce qui suit, on va présenter des résultats de simulation d'un réglage de vitesse du moteur

asynchrone par un PI. Et selon les résultats obtenus, on discutera le comportement du moteur lors de

l’insertion d’un couple de charge en variant la valeur de ρ de la formule III 6.

Le but de la simulation est de valider le comportement de la vitesse du moteur asynchrone, afin de

mettre en évidence les performances et la robustesse de la commande PI sur la vitesse de rotation

III.3.4.2.1 Le démarrage à vide avec introduction d'un couple de charge du moteur asynchrone

En appliquant un couple de charge de l0 N.m à l'instant t = 1 s, les figures suivantes représentent les

résultats obtenus selon la valeur de ρ (formule III 6).

ρ = 1

Kp = 0.0116075 ; Ki = 0.0131

Vitesse

Figure 137 la vitesse rotorique et la vitesse de référence avec l'application de la régulation PI ρ=1

P a g e 73 | 106

On voit que lors de l’application PI, la vitesse est inférieure de la référence et on distingue le rejet de

perturbation à l'instant de l'application du couple de charge.

Courant et couple électromagnétique

Figure 138 les courants à ρ=1

Figure 139 le couple à ρ=1

ρ = 2

Kp = 0.049415 ; Ki = 0.0524

Vitesse

Figure 140 La vitesse du rotor et la vitesse référence avec application d'un régulateur PI ρ=2

P a g e 74 | 106

Avec la figure 139, au démarrage la vitesse est légèrement dépassée de la référence et lors de

l’introduction du couple de charge à t=1s, on voit un rejet de perturbation qui dépasse l’erreur

acceptable.

Courant et couple électromagnétique


Figure 142 le couple électromagnétique à

ρ=3

ρ = 3

Kp = 0.378075 ; Ki = 0.1179

Vitesse

Figure 143 La vitesse du rotor et la vitesse référence avec application d'un régulateur PI ρ=3

P a g e 75 | 106

Selon la figure 142, au démarrage la vitesse est légèrement supérieure à la référence et lors de

l’introduction du couple de charge à t=1s, on voit un rejet de perturbation qui dépasse l’erreur

acceptable.

Couple électromagnétique


Figure 145 le couple électromagnétique ρ=3

Interprétation des résultats

D'après ces résultats de simulation, on note que le régulateur PI n'est pas parfaitement robuste, car la

réponse dynamique de la vitesse est légèrement affectée.

En effet, la vitesse est un peu égale au démarrage, on distingue le rejet de perturbation à l'instant de

l'application du couple de charge mais selon la figure (figure 145) suivante la régulation est

parfaitement adapter.

P a g e 76 | 106

Figure 146 la vitesse avec la régulation PI à vide

III.3.5 conclusion

Ce chapitre nous a permis de voir la relation étroite entre la vitesse et la fréquence, plus la fréquence

augmente, la vitesse s’amplifie jusqu’à ce que le moteur asynchrone se limite.

Le moteur est piloté par un onduleur à 3 niveaux commandé par un technique innovant appelé la

modulation de largeur d’impulsion. Avec cette technique, on a vu le mode de fonctionnement d’un

variateur de vitesse pour valider la variation de la vitesse du moteur asynchrone par fréquence. Et

d’après les résultats, le changement d’une vitesse à une autre marque un temps d’instabilité pour le

système. Cette analyse met l’évidence de la nécessite de régler la vitesse par le correcteur PI afin de

garder la performance et la robustesse, or on aperçoit un rejet de perturbation à l’instant de

l’application d’un couple de charge.

P a g e 77 | 106

Conclusion générale De nombreuses structures multiniveaux ont été créées grâce à l'évolution de l'électroniquede

puissance vis-à-vis des calibres et des performances. Depuis, de nombreuses structures sont apparues

ayant des propriétés assez intéressantes. Les principales familles sont :

La topologie à diodes clampées (NPC-Neutral Point Clamped) permet de clamper les

interrupteurs ouverts par l'intermédiaire des diodes de clampage. Elle permet aussi de réduire

le taux de distorsion harmonique, limitant ainsi la taille des éléments de filtrage.

La topologie basée sur des cellules imbriquées (topologie à capacités flottantes FC-

Flying Capacitor ou encore topologie multicellulaire) permet de répartir les

tensions aux bornes des semi-conducteurs mis en série par l'intermédiaire des

condensateurs flottants. Elle joue aussi un rôle sur la réduction du taux de

distorsion harmonique.

La topologie basée sur la mise en série d'onduleurs monophasés sur chaque phase

(topologie en cascade ou pont en H), présente l'énorme avantage d'être modulaire,

cela veut dire qu'elle est facilement extensible à un nombre élevé de niveaux, ce qui

réduit le taux de distorsion des harmoniques.

La topologie MNP (Multi Neutral Clamped) Cette structure possède les avantages de

nécessiter une seule source continue, sans diodes de bouclage, de pouvoir fonctionner

avec des nombres de niveaux quelconque, pairs et impairs et de pouvoir travailler en

mode dégradé.

Ces onduleurs multiniveaux ont été étudiés à trois niveaux dans ce mémoire et commandés

par MLI sinusoïdale. Les résultats de simulation sous MATLAB nous ont donné un signal

du courant plus proche de la sinusoïde, il contient moins d’harmoniques à la sortie. Avec

cette méthode de commande, nous obtenons une meilleure réponse dynamique du moteur.

Donc les résultats obtenus après plusieurs essais, nous montrent l’efficacité de la

commande à MLI sinusoïdale utilisé. Et nous dirons que la MLI sinusoïdale s’adopte

mieux aux entraînements à vitesse variable avec un moteur à courant alternatif comme le

moteur asynchrone, car à partir de cette commande nous avons vu les évolutions de la

vitesse selon la variation de la fréquence et la nécessite de la régulation de la vitesse au

cours de cette variation. Ce travail nous a permis d’élargir nos connaissances dans le

domaine de l’électronique de puissance, tel que : les différentes topologies des

convertisseurs multi-niveaux, la variation de vitesse,

P a g e 78 | 106

la régulation de vitesse par le correcteur PI, les différentes stratégies de commande des

convertisseurs ainsi que la maîtrise de l’outil de simulation sous MATLAB/Simulink.

P a g e A | 106

Webographie [1]https://infoscience.epfl.ch/record/33657/files/EPFL_TH3188.pdf [2]https://bu.univ-ouargla.dz/master/pdf/Saifi-imane.pdf?idmemoire=54618

[3]http://biblio.univ-annaba.dz/wp-content/uploads/2014/07/BEN-ZEMAMOUCHE-HOURIA.pdf

[4]https://www.researchgate.net/publication/301301530_Commande_par_MLI_pre

calculee_d%27un_onduleur_asymetrique_Application_a_la_commande_vectorielle_d%27une_M[AS

_de_forte_puissance

[5]https://www.robertponge.com/telechargements/ebooks/onduleurs.pdf

[6]https://bu.umc.edu.dz/theses/electronique/DJE4983.pdf

[7]http://excerpts.numilog.com/books/9782100738663.pdf

[8]http://espace.etsmtl.ca/1313/2/CHEBBAH_Mohamed_Talel-web.pdf

[9]http://depot-e.uqtr.ca/1414/1/030165878.pdf

[10]https://bu.univ-ouargla.dz/master/pdf/DIAF_BENANTER.pdf

[11]http://l2ep.univ-lille1.fr/pagesperso/francois/files/ITEEM2_TP_mod_sim_2009.pdf

[12]http://r.search.yahoo.com/_ylt=AwrJ7J4.ScNag4AApWNXNyoA;_ylu=X3oDMTBzdWd2cWI5BGNv

b[2]G8DYmYxBHBvcwMxMAR2dGlkAwRzZWMDc3I

/RV=2/RE=1522776511/RO=10/RU=http%3a%2f%2fwww.issr-

journals.org%2flinks%2fpapers.php%3fjournal%3dijias%26application%3dpdf%26article%3dIJIAS-14-

271-09/RK=2/RS=Sjxa48bSKVD19OJnP1VaiRmpISY-

[13]http://biblio.univ-annaba.dz/wp-content/uploads/2015/01/ZOUGGAR-EL-Walid.pdf

[14]http://www.univ-usto.dz/theses_en_ligne/doc_num.php?explnum_id=431

[15]http://eprints.univ-batna2.dz/1306/1/inj%20TOUMI%20MOHAMED.pdf

[16]http://www.univ-tebessa.dz/fichiers/masters/st160094.pdf

(Consulté durant le mois Juillet ; Aout ; Septembre)

https://infoscience.epfl.ch/record/33657/files/EPFL_TH3188.pdf

https://bu.univ-ouargla.dz/master/pdf/Saifi-imane.pdf?idmemoire=54618

http://biblio.univ-annaba.dz/wp-content/uploads/2014/07/BEN-ZEMAMOUCHE-HOURIA.pdf

https://www.researchgate.net/publication/301301530_Commande_par_MLI_pre%20calculee_d%27un_onduleur_asymetrique_Application_a_la_commande_vectorielle_d%27une_M%5bAS_de_forte_puissance



https://www.robertponge.com/telechargements/ebooks/onduleurs.pdf

https://bu.umc.edu.dz/theses/electronique/DJE4983.pdf

http://excerpts.numilog.com/books/9782100738663.pdf

http://espace.etsmtl.ca/1313/2/CHEBBAH_Mohamed_Talel-web.pdf

http://depot-e.uqtr.ca/1414/1/030165878.pdf

https://bu.univ-ouargla.dz/master/pdf/DIAF_BENANTER.pdf

http://l2ep.univ-lille1.fr/pagesperso/francois/files/ITEEM2_TP_mod_sim_2009.pdf

http://r.search.yahoo.com/_ylt=AwrJ7J4.ScNag4AApWNXNyoA;_ylu=X3oDMTBzdWd2cWI5BGNvb%5b2%5dG8DYmYxBHBvcwMxMAR2dGlkAwRzZWMDc3I%20/RV=2/RE=1522776511/RO=10/RU=http%3a%2f%2fwww.issr-journals.org%2flinks%2fpapers.php%3fjournal%3dijias%26application%3dpdf%26article%3dIJIAS-14-271-09/RK=2/RS=Sjxa48bSKVD19OJnP1VaiRmpISY-





http://biblio.univ-annaba.dz/wp-content/uploads/2015/01/ZOUGGAR-EL-Walid.pdf

http://www.univ-usto.dz/theses_en_ligne/doc_num.php?explnum_id=431

http://eprints.univ-batna2.dz/1306/1/inj%20TOUMI%20MOHAMED.pdf

http://www.univ-tebessa.dz/fichiers/masters/st160094.pdf

P a g e B | 106

Figure 147 fenêtre de Matlab

Annexe A Matlab Simulink

Introduction

Matlab est un logiciel de calcul matriciel à syntaxe simple, d’où son nom (MATrix

LABoratory).

Matlab peut être considéré comme un langage de programmation adapté pour des problèmes

scientifiques. Il possède un vaste ensemble de procédures (ou « sous –programmes » ou

fonctions) préprogrammées et directement utilisables par une simple instruction. Matlab est

un logiciel produit par MathWorks (voir le site web http:// www.mathworks.com/). Il

fonctionne dans plusieurs environnements tels que Windows, Macintoch …Unix, Linux.

Matlab permet des visualisations de données rapides et précises en 1D, 2D ou même 3D, de

piloter des expérimentations, et surtout permet de réaliser facilement des programmes

complexes ne nécessitant pas la reprogrammation de routines ou fonctions « classiques ».

P a g e C | 106

Les éléments constituants de Matlab

Matlab contient également une interface graphique puissante, ainsi qu’une grande variété

d’algorithmes scientifiques.

On peut enrichir Matlab en créant ses propres fonctions

Figure 148 les outils de Matlab

Simulink

Simulink est un outil de simulation intégré à l’environnement de programmation scientifique

Matlab.

Ceci signifie, entre autres :

• Edition de blocs

• Simulation de modèles non-linéaires

• Simulation de modèles discrets ou continus

• Simulation de modèles hybrides

• Simulation asynchrone (échantillonnage non uniforme)

• Interaction avec Matlab, ses extensions, ses boîtes à outils

Il est utilisé pour simuler les modélisations des phénomènes physiques en les transformant en

équation mathématique comme :

Les systèmes de communications

Les transports d’énergies électriques

Les moteurs et les générateurs

Etc.….

P a g e D | 106

Les bibliothèques de Simulink

D’après la Figure 21, Simulink possède des diverses bibliothèques :

Génération des signaux

Visualisation des signaux

Systèmes continus

Systèmes discrets

Operations mathématiques

Non linéarités

Classes de sous systèmes

Blocs additionnels

Gestion des signaux et systèmes

Figure 149 navigateur Simulink

P a g e E | 106

Constructions de systèmes

La construction de systèmes est simple et donne par la Figure 22 :

Rassembler les blocs

en les glissant dans le modèle

Connecter les blocs avec la souris (bouton gauche)

Comme tous les autres, le logiciel Matlab Simulink possède des caractéristiques particulières :

Collections et connections des blocs :

Pour relier un ensemble de blocs sources (ou cibles) à un bloc cible (ou source), il

suffit de sélectionner les blocs sources (ou cibles), de maintenir « Ctrl » enfoncé et

effectuer un clic « bouton gauche » sur le bloc cible (ou source).

Copie et insertion de blocs :

Clic bouton droit de la souris sur le bloc pour le copier

Placer le bloc au-dessus de la ligne d’insertion

Changement de position et orientation :

Shift et clic bouton gauche en bougeant la souris pour déconnecter

Ctrl-I pour une rotation de 180° (Format/Flip block)

Ctrl-R pour une rotation de 90° (Format/Rotate block)

Figure 150 Construction d'une modèle

sur Simulink

P a g e F | 106

Branchement et cheminement des lignes :

Clic bouton droit de la souris sur la ligne pour ajouter une branche

Clic bouton gauche de la souris sur la ligne pour réacheminement

Les caractéristiques du moteur asynchrone

Figure 151 les parametres du moteur asynchrone

Visualisation de l’onduleur sur Proteus

Dans proteus nous avons commandé l’onduleur pont H par un microcontrôleur 16F877A.

principe MLI :

La modulation de largeur d'impulsion, ou PWM, est devenue une méthode acceptée

pour générer des signaux uniques, grâce à l'avancement des microcontrôleurs et à

son efficacité énergétique. Pour créer un Signal sinusoïdal, PWM utilise des ondes

P a g e G | 106

carrées à haute fréquence avec des périodes d’impulsions variés. La période

d’impulsion ou duty cycle est le pourcentage de temps pendant lequel le signal est

en fonction de la période. Cela signifie que si le duty cycle augmente on a plus de

puissance est transmise

Figure 152 le signal PWM

Utilisation des MOSFET en PWM :

Le PWM nécessite des signaux d'activation et de désactivation rapides, qui peuvent

être obtenus à l'aide de MOSFET haute puissance.

Les MOSFET sont des commutateurs idéaux en raison de la faible perte de courant

lorsque l'appareil est activé. Il convient toutefois de noter que lorsqu'un MOSFET est

en transition entre on et off, la perte de puissance peut être significative. Pour cette

raison, les temps de transition et la fréquence devraient être conçus pour être aussi

courts que possible. Cela peut être réalisé en minimisant l'amplitude Entre les étapes

d'ouverture et de départ et l'abaissement de la fréquence PWM ; Cependant, comme la

fréquence diminue, la qualité du signal est également élevée

Architecture et approche du projet à réaliser :

P a g e H | 106

Figure 153 les blocs de l'onduleur

Tout en concevant un onduleur peut être complexe mais il devient plus facile lorsqu'il est

décomposé en deux parties. Les sections suivantes détaillent chaque composant du projet,

ainsi que la façon dont chaque section est construite et interagit avec d'autres blocs pour

produire la production d'un onduleur à onde sinusoïdale pure de 400 V.

Notre convertisseur est constitué de deux blocks :

Block de commande :

Le but de la commande de l’onduleur est de permettre la production d’une tension ou un

courant alternatif, à travers les ordres de commande appliqués aux drivers interrupteurs de

puissance.

Dans notre cas, le cœur de la commande de l’onduleur est basé sur un microcontrôleur

(16F877A) très puissant de la famille de Microchip. Ce microcontrôleur est responsable de la

génération de l’onde sinusoïdale en temps réel.

Le microcontrôleur (pic 16F877A) :

Le microcontrôleur est un composant numérique qui peut accepter des données sous forme

analogiques et numériques.

Pour l’utiliser on doit déterminer comment les broches (pins) du microcontrôleur seront

utilisées entrées ou sorties dans notre cas il sert à générer des signaux de contrôle.

La théorie de l'encodage d'une onde sinusoïdale avec un signal PWM est relativement simple.

Une sinusoïde est nécessaire pour la référence qui dictera la sortie, et une onde triangulaire de

supérieure fréquence est nécessaire pour échantillonner la référence et activer les

commutateurs.

P a g e I | 106

Structure interne et configuration du pic 16F877A :

Figure 154 les ports du pic 16f77A

Différents ports du pic 16F877A :

Ce microcontrôleur est spécialement développé pour la génération d’un signal Sinusoïdal

PWM (SPWM) et programmer pour générer deux signaux PWM et deux impulsions

rectangulaires. Les broches RC1, RC2 sont des broches de sortie pour la modulation de

largeur d'impulsion sinusoïdale et RA1, RA2 sont des broches de sortie pour signaux

impulsionnels rectangulaires.

Structure interne :

Ce microcontrôleur composé de CPU, RAM, ROM, minuteries et compteurs, etc. De même,

l'architecture microcontrôleur PIC se compose de RAM, ROM, CPU, minuteries, compteurs

et prend en charge les protocoles tels que SPI, CAN et UART pour l'interfaçage avec d'autres

périphériques. À l'heure actuelle, les microcontrôleurs PIC sont largement utilisés à des fins

industrielles en raison de la faible consommation d'énergie, de la capacité de haute

performance et de la disponibilité facile de ses outils matériels et logiciels, comme les

compilateurs, les débogueurs et les simulateurs.

P a g e J | 106

Figure 155 structure interne du pic 16F77A

Principe de génération de la PWM :

L’onduleur délivre plusieurs créneaux positifs et négatifs, ce qui permet de diminuer

l’importance du filtre et d’avoir un régulateur de tension plus rapide. En modulant les temps

relatifs de conduction et déblocage, il est possible de répartir la tension au cours de la période

de façon à ce que pratiquement le temps de conduction d’un interrupteur soit proportionnel à

la valeur instantanée du fondamental. C’est ce principe qui est appelé Modulation de

Largeur d’Impulsion. La tension de sortie de l’onduleur est une onde sinusoïdale pure,

produite grâce au module PWM du PIC avec un oscillateur de 8 kHz. Donc A chaque

impulsion de 10ms de l’horloge

Le microcontrôleur exécute une instruction La rapidité d’exécution du programme dépend de

la fréquence de l’horloge. Généralement on utilise un Quartz ou un montage RC pour générer

ce signal

P a g e K | 106

Figure 156 la modulation sinusoïdale naturelle

Génération de l’MLI

Simulation du bloc de commande sur Proteus (ISIS) :

Figure 157 générateur du pwm

Simulation de la partie commande :

Programme et implantation :

Le langage C intégré a été utilisé pour écrire le code nécessaire pour programmer le

microcontrôleur par Suivi du diagramme comme indiqué dans la figure ci-dessus. Le code C

est alors construit en utilisant mikroc pro Compilateur pour produire un fichier HEX qui est

gravé sur un microcontrôleur ou chargé en protéus pour simulation.

P a g e L | 106

Figure 158 le programme du pwm

P a g e M | 106

Etat machine du programme (flowchart) :

Figure 159 l'algorithme du pwm

Le block H-bridge (circuit de puissance) :

Le pont en H est une structure électronique servant à contrôler la polarité aux bornes d'un

dipôle. Il est composé de quatre éléments de commutation généralement disposés

schématiquement en une forme de H d'où le nom. Les commutateurs peuvent être des relais,

des transistors, ou autres éléments de commutation en fonction de l'application visée.

Cette structure se retrouve dans plusieurs applications de l'électronique de puissance incluant

le contrôle des moteurs, les convertisseurs et hacheurs, ainsi que les onduleurs. Il se présente

sous différentes formes passant par les circuits intégrés pour les applications de faibles et

moyennes puissances, les circuits discrets ainsi que les modules intégrés pour les moyennes et

hautes puissances.

P a g e N | 106

Figure 160 le bloc de puissance de l'onduleur

Résultats :

Figure 161 les courbes de tensions

La figure ci-dessus montre les allures de tensions par phase

P a g e O | 106

Figure 162 les signaux de commandes

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Résumé

Ce mémoire traite les onduleurs à trois niveaux de type NPC ; MNP ; FC et pont en H afin de

comprendre leurs principes de fonctionnement et leurs différences. Pour voir ces spécificités,

on a simulé ces onduleurs sous Matlab Simulink, un logiciel spécial pour obtenir des résultats

bien détaillés et on a appliqué deux commandes différentes : commande simple ou pleine

onde et commande MLI. Les résultats obtenus sont intéressants mais le pont fort de ce travail,

la commande MLI présente des résultats captivants.

A partir de cette commande, on varie la vitesse du moteur asynchrone piloter par l’un de ces

convertisseurs dans le but de contrôler de cette vitesse par le régulateur PI, un moyen de garde

la performance du moteur durant son utilisation.

Mots clés : Onduleur Multiniveaux, Onduleur à trois niveaux, la vitesse du moteur

asynchrone, régulation PI.

Abstract

This memory treats NPC; MNP; FC and H bridge type three-level inverters, to understand

their operating principles and differences. To see these specificities, we have simulated these

inverters under Matlab Simulink, a special software to obtain very detailed results and we

applied two different commands: simple or full wave control and PWM control. The results

obtained are interesting but the strong bridge of this work, the control PWM presents

captivating results. From this command, the speed of the asynchronous motor controlled by

one of these converters was varied in order to control this speed by the PI regulator, a means

of guarding the performance of the engine during its use

Key words: Multilevel inverters, Three-level inverters, asynchronous motor speed, PI

regulation.

Documents

Simulation sur Matlab Simulink des Onduleurs 3 niveaux