Les perspectives futures des onduleurs révèlent une avancée surprenante dans la stabilisation des tensions d’entrée, grâce à l’innovation du pont de clamping. Cette étude promet de transformer notre compréhension des systèmes d’entraînement de machines électriques, avec des implications majeures pour l’industrie.
Pont de clamping
Pour stabiliser la tension d’entrée des onduleurs triphasés de tension à cinq niveaux à cellules imbriquées, nous proposons une solution pratique qui consiste à mettre un pont d’équilibrage (pont de clamping) en parallèle avec le filtre intermédiaire entre le redresseur de courant triphasé à deux niveaux et l’onduleur de tension triphasé à cinq niveaux à cellules imbriquées.
Cascade deux redresseurs de courant triphasés à deux niveaux –deux ponts de clamping – deux onduleurs triphasés de tension à cinq niveaux à cellules
imbriquées – MASDE
La structure de cette cascade est donnée par le schéma suivant :
Fig. III.10. Structure de la cascade de deux redresseurs de courant à deux niveaux- deux ponts de clamping- deux onduleurs de tension à cinq niveaux à cellules imbriquées- MASDE.
Modélisation et commande du pont de clamping
Le pont de clamping est constitué d’un transistor en série avec une résistance ; l’ensemble est en parallèle avec un condensateur comme le montre la figure III.11. [BOU 04]
Fig. III.11. Structure du pont de clampinq avec filtre intermédiaire.
Le transistor se ferme si la tension aux bornes de la capacité dépasse la tension de consigne pour de minimiser le déséquilibre de la tension Uck et de limiter les surtensions.
Suivant un l’algorithme de commande suivant :
Si U ck
U réf
200V Tk
1 Sinon Tk 0
[III.16]
Le modèle du filtre avec le pont de clamping est défini par le système suivant :
C dUck
k dt
I redk
I dk
I rk
[III.17]
avec :
U
- Onduleur N 01
I rk
Tk ck
Rp
; k
- Onduleur N 0 2
Remarque :
Le pont de clamping a comme paramètres : C = 6 mF et la résistance du pont Rp = 10 .
Résultats de simulation
Côté réseau & onduleur
25 80
I réf1
20 I rés1
I réf2 60
15 I rés2
40
V rés (1,2) [v] & I rés (1,2) [A]
10
I réf (1,2) & I rés (1,2) [A]
5 20
V rés1 I rés1 V rés2 I rés2
0
-5
-10
-15
-20
0
-20
-40
-60
-25
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04
t [s]
-80
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04
t [s]
Fig. III.12. Courant d’une phase et sa référence, et la tension du réseau
300 300
250 250
200 200
150 150
Uc1 [v]
Uc2 [v]
100 100
50 50
0
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
t [s]
0
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
t [s]
Fig. III.13. Tension d’entrée des deux onduleurs
7 25
Id1
Id2
6 20
5 15
Ired1 Ired2
10
4
Id1,2 [A]
Ired1,2 [A]
5
3
0
2
-5
1
-10
0
1.5 1.502 1.504 1.506 1.508 1.51 1.512 1.514 1.516 1.518 1.52
t [s]
Fig. III.14. Courant d’entrée des deux onduleurs
-15
1.5 1.51 1.52 1.53 1.54 1.55 1.56 1.57 1.58
t [s]
Fig. III.15. Courant de sortie des deux redresseurs
Côté machine
300
250
Wr réf
Wr
2
1.5
Phrd réf, Phrd & Phrq réf , Phrq [Wb]
Phrd réf Phrd Phrq réf Phrq
200
1
Wr réf & Wr [rad/s]
150
100
0.5
0
50
0 -0.5
-50
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
t [s]
-1
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
t [s]
15
Cem réf Cem
14.5
60
14
50
13.5
40
Cem réf & Cem [N.m]
1.985 1.99 1.995 2 2.005 2.01
1.8
1.6
1.4
1.2
Phr réf & Phr [Wb]
Phr réf Phr
1
30
0.8
20 0.6
0.4
10
0.2
0
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
t [s]
0
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
t[s]
8
ia1 ia2
6
400
300
Va1 Va2
data1 data2
4 200
2 100
ia1 & ia2 [A]
Va1 & Va2 [v]
0 0
-2 -100
-4 -200
-6 -300
-8
1.535 1.54 1.545 1.55 1.555 1.56 1.565 1.57 1.575 1.58
t [s]
-400
1.545 1.55 1.555 1.56 1.5t6[5s] 1.57 1.575 1.58 1.585 1.59
Fig. III.16. Performances de la cascade de deux redresseurs de courant à MLI à deux niveaux- pont de clamping- deux onduleurs de tension à cinq niveaux à cellules imbriquées- MASDE.
Interprétation des résultats
La figure III.12 présente les courants des deux réseaux avec leur référence. Nous remarquons que ces derniers suivent bien leur référence, et sont en phase avec la
tension et décalés entre eux d’un angle de .
6
La figure III.13 montre que les tensions de sortie des deux redresseurs stables.
La figure III.14 montre l’allure des deux courants d’entrée des deux onduleurs, sont
décalés entre eux d’un angle de .
6
La figure III.15 montre l’allure des deux courants de sortie des deux redresseurs avec toujours le même décalage.
La figure III.16 montre les performances de la conduite de la MASDE en charge.
La vitesse atteint sa valeur nominale après 1.2 s et le couple électromagnétique présente une légère perturbation. Nous remarquons également que le flux rd suit sa référence et le flux rq est maintenu nul. Les courants d’alimentation de la machine et les tensions de sortie de chaque onduleur sont pratiquement sinusoïdaux. De plus, nous constatons clairement que les ondulations des grandeurs de la machine et plus précisément du couple réduites par rapport à la cascade sans pont de clamping.
Notons surtout que la perturbation au niveau du couple avec pont de clamping est moins importante par rapport au couple sans pont de clampling, et cela est illustré par les deux figures si dessous :
Cem réf & Cem [N.m] 15 Cem réf Cem 14.5 14 13.5 2 2.002 2.004 2.006 2.008 2.01 t [s] | Cem réf & Cem [N.m] 15 Cem réf Cem 14.5 14 13.5 2 2.002 2.004 2.006 2.008 2.01 t [s] |
Fig. III.17. Couple sans pont de clamping | Fig. III.18. Couple avec pont de clamping |
III.F. Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons étudié un changeur de fréquence ayant comme pont de sortie l’onduleur triphasé de tension à cinq niveaux commandé par la stratégie de modulation vectorielle à quatre porteuses bipolaires en dent scie et redresseur de courant à deux niveaux comme pont d’entrée sans et avec pont de clamping. Ce dernier a donné des résultats satisfaisants pour la stabilité des tensions d’entrée des deux onduleurs.
Le redresseur de courant à deux niveaux permet d’avoir un courant coté réseau le plus sinusoïdal possible et un facteur de puissance proche de l’unité.
La mise en œuvre de pont de clamping nous a permis d’obtenir des tensions d’entrée des deux onduleurs à cinq niveaux à cellules imbriquées plus stables ;présentant d’intéressantes qualités spectrales et de meilleure performance de la conduite de la MASDE, en diminuant les perturbations au niveau du couple.
CONCLUSION GENERALE
Ce mémoire a traité l’étude du changeur de fréquence, constitué de la cascade d’un redresseur triphasé à deux niveaux- deux onduleurs triphasés à cinq niveaux à cellules imbriquées -MASDE.
Le premier chapitre a été consacré à la présentation et la modélisation mathématique de la MASDE en vue d’une alimentation idéale. L’utilisation de la transformation de park a permis de simplifier et d’éliminer la complexité du modèle. Puis nous avons détaillé
La commande vectorielle à flux rotorique orienté, basée sur une orientation du repère tournant
(T) d’axes (d,q) tel que l’axe d soit confondu avec la direction du flux rotorique ( r ). De ce fait elle peut commander séparément le couple électromagnétique et le flux.
L’analyse de cette commande vectorielle a montré d’excellentes performances dynamiques et statiques de notre machine.
Dans le deuxième chapitre, nous avons présenté le principal concept de la conversion d’énergie des convertisseurs multiniveaux. Une présentation de la structure et l’onduleur triphasé à cinq niveaux à cellules imbriquées a été faite ressortant ainsi ses principales caractéristiques. Nous avons aussi présenté deux stratégies de commande de ce type d’onduleur :
La commande triangulo-sinusoïdale à quatre porteuses bipolaires en dent de scie.
La commande de modulation vectorielle à quatre porteuses bipolaires en dent de scie.
La stratégie de modulation vectorielle à quatre porteuses bipolaires en dent de scie est la plus intéressante pour la commande de l’onduleur de tension triphasé à cinq niveaux à cellules imbriquées. Cette dernière permet la réduction du taux de distorsion d’harmoniques et d’élargir la zone linéaire de réglage de la tension de sortie de l’onduleur de tension à cinq niveaux jusqu’à r =1,2
Les performances de la conduite de la MASDE associée à l’onduleur contrôlé par la stratégie de modulation vectorielle ont été analysées. Nous avons constaté (par rapport aux résultats du chapitre1), plus d’ondulation au niveau du couple et courant à cause des tensions fournisses par ces onduleurs riche en harmoniques.
Dans le troisième chapitre, nous avons étudié un changeur de fréquence ayant l’onduleur de tension triphasé à cinq niveaux à cellules imbriquées comme pont de sortie, un redresseur de courant triphasé à deux niveaux comme pont d’entrée.
Nous avons montré l’instabilité des tensions de sortie de cet onduleur.
Afin de remédier à ce problème, nous avons proposé l’utilisation du Pont de Clamping. Ce dernier a permis d’améliorer les tensions d’entrée de l’onduleur qui se traduit dans les performances de la conduite MASDE.
Nous avons constaté une perturbation au niveau du couple avec pont de clamping moins importante par rapport au couple sans pont de clamping.
Plusieurs perspectives de recherche restent à développer :
Recherche des algorithmes permettant d’extrapoler les stratégies de commande de l’onduleur à cellules imbriquées à cinq niveaux au cas des onduleurs à N niveaux.
Etude de la conduite des autres machines alternatives alimentées par ces cascades.
Questions Fréquemment Posées
Quelles sont les stratégies de commande du convertisseur à cinq niveaux?
L’étude explore deux stratégies de commande du convertisseur : triangulo-sinusoidale et modulation vectorielle avec quatre porteuses bipolaires.
Comment fonctionne le pont de clamping dans un onduleur à cinq niveaux?
Le pont de clamping est constitué d’un transistor en série avec une résistance, et il est en parallèle avec un condensateur pour minimiser le déséquilibre de la tension et limiter les surtensions.
Quel est le rôle du redresseur triphasé dans la cascade d’onduleurs?
L’étude inclut également la modélisation d’un redresseur triphasé et l’analyse des performances de la cascade redresseurs-onduleurs-MASDE.