Etude du changeur de fréquence à cinq niveaux à cellules imbriquées. Application à la conduite de la machine asynchrone

L’analyse présente l’étude d’un onduleur triphasé multiniveau à 5 niveaux à cellules imbriquées pour l’entraînement de machines électriques de forte puissance. Les travaux examinent la modélisation et la commande vectorielle d’une machine asynchrone double étoile (MASDE) en utilisant la transformation de Park. La recherche explore deux stratégies de commande du convertisseur : triangulo-sinusoidale et modulation vectorielle avec quatre porteuses bipolaires. L’étude inclut également la modélisation d’un redresseur triphasé et l’analyse des performances de la cascade redresseurs-onduleurs-MASDE.

Université des Sciences et de la Technologie Houari Boumediene
Faculté d’Electronique et d’Informatique
Département d’Electrotechnique
Diplôme d’ingénieur d’état en électrotechnique
Projet de fin d’Etudes
Etude du changeur de fréquence à cinq niveaux à cellules imbriquées.
Application à la conduite de la machine asynchrone
Présenté par :
Mr: IGOUDJIL Abdenour & Mr: BOUDJEMA Yacine
Thème proposé et encadré par :
Mme: Z. BOUNOUAGHA
Promotion : 2006

LISTE DES SYMBOLES
SymboleDésignationUnitéCemcouple électromagnétiqueN.mCrcouple résistantN.mCnoncouple nominal de la machineN.mCcapacitéFcos facteur de puissanceffréquenceHzfpfréquence de la porteuseHzfrcoefficient de frottement visqueuxgglissementgsa1, gsb1 gsc1grandeurs instantanées(flux, tension ou courant) des phases statoriques de l’enroulement 1 du statorgsa2, gsb2 gsc2grandeurs instantanées(flux, tension ou courant) des phases statoriques d de l’enroulement 2 du statorgsa, gsb gscgrandeurs instantanées(flux, tension ou courant) des phases rotoriquesgsd, gsqgrandeurs instantanées statoriques d’axes (d-q)grd, grqgrandeurs instantanées rotoriques d’axes (d-q)Inoncourant nominalAIredcourant redressèAIrcourant qui passe dans le pont de ClampingIdcourant d’entrée de l’onduleurAIeffcourant efficaceAicourant instantanéAjmoment d’inertiekg.m²Kpparamètre de l’action proportionnelleKiparamètre de l’action intégraleLlrinductance de fuite rotoriqueHLls1, Lls2inductances de fuite statoriqueHLcrinductance propre cyclique rotoriqueHLcsinductance propre cyclique statoriqueHLInductance du réseauHMrinductance propre de magnétisation rotoriqueHMsinductance propre de magnétisation statoriqueHMcinductance mutuelle cyclique stotor-rotorHmindice de modulation
pnombre de paires de pôlesknuméro de l’onduleurPnomPuissance nominaleWPémpuissance électromagnétiqueWPréspuissance du réseauWPjpertes joulesWPmécpertes mécaniquesWRrrésistance rotoriqueRsrésistance statoriqueRrésistance du réseauRprésistance du pont de clampingrtaux de modulationSopérateur de laplacettempsst(exposant)transposé d’une matriceTPpériode de la porteusesUredtension redresséeVUpmtension de la modulanteVUctension aux bornes de capacitéVVpamplitude de tension de référenceVVpmamplitude de porteuseVVdctension continueVvtension instantanéeVrpulsation électrique fondamentale des grandeurs rotoriquesrad/sspulsation électrique fondamentale des grandeurs statoriquesrad/sglvitesse de glissementrad/scoefficient de dispersion stator-rotorrconstante de temps rotoriquesangle de déphasage entre les enroulements du statorrad0position initiale du rotor par rapport à l’enroulement 1 du statorradrposition du rotor par rapport à l’enroulement 1 du statorrad2position du rotor par rapport à l’enroulement 2 du statorrads1angle entre l’axe de la première phase du premier enroulement statorique et l’axe drads 2Angle entre l’axe de la première phase du deuxième enroulement statorique et l’axe dradflux total instantanéwbnomVitesse nominalerad/srvitesse mécanique du rotorrad/ssvitesse de synchronismerad/sibande d’hystérésis en couranterreur1nmatrice identité d’ordre n0n mmatrice nulle de dimension (n×m)
TABLE DES MATIERES
TABLE DES MATIERES 1
INTRODUCTION GENERALE 4
CHAPITRE I. Modelisation et Commande Vectorielle
de la Machine Asynchrone Double Etoile 7
I.A.Introduction 7
I.B.Mise en Equations 8
I.B.1.Préliminaires 8
I.B.1.1.Description, rappels 8
I.B.1.2.Hypothèses simplificatrices 9
I.B.2.Modèle dans le repère naturel (sa1-sb1-sc1)(sa2-sb2-sc2)-(ra-rb-rc) 9
I.B.2.1.Equation aux tensions 10
I.B.2.2.Equation aux flux 10
I.B.2.3.Equation mécanique 11
I.B.2.4.Couple électromagnétique 11
I.B.3.Transformation de Park 11
I.B.3.1.Choix du référentiel 13
I.B.3.2.Mise sous forme d’équations d’état 14
I.C.Commande vectorielle de la MASDE 17
I.C.1.Introduction 17
I.C.2.Principe du contrôle vectoriel 17
I.C.3.Procédé d’orientation du flux 18
I.C.4.Différentes méthodes de la commande par l’orientation du flux 19
I.C.4.1.Contrôle vectoriel direct 19
I.C.4.2.Contrôle vectoriel indirect 19
I.C.5.Structure d’une alimentation par orientation du flux 20
I.C.6.Découplage des équations 21
I.C.7.Commande en boucle ouverte de la machine asynchrone double étoile 21
I.D.La regulation 22
I.D.1.Calcul des paramètres de régulateur PI 22
I.D.1.1.Régulation sur l’axe d 23
I.D.1.1.1.Régulateurs des courants is1d et is2d 23
I.D.1.2.Régulation sur l’axe q 24
I.D.1.2.1.Régulation des courants isq1 et isq2 24
I.D.2.Synthèse de régulation de vitesse 24
E.Simulation et interprétation 27
I.E.1.Résultats de simulation 28
I.E.2.Interprétation des résultats 33
F.Conclusion 35
CHAPITRE II. Modelisation et Strategies de Commande
de L’onduleur de Tension a Cinq Niveaux a Cellules Imbriquees 36
II.A.Introduction 36
II.B.Modelisation de L’onduleur Triphase a Cinq Niveaux a Cellules Imbriquees 37
II.B.1.Topologie de l’onduleur triphasé à cinq niveaux à cellules imbriquées 37
II.B.2.Structure d’un bras d’onduleur triphasé à cinq niveaux à cellules imbriquées 38
II.B.2.1.Différentes configurations d’un bras d’onduleur à cinq niveaux à cellules imbriquées 39
II.C.Reseau de Petri d’un bras d’onduleur a cinq niveaux a cellules imbriquees 41
II.D.Modele de Connaissance de L’onduleur Triphase a cinq niveaux
A CELLULES IMBRIQUEES 43
II.D.1.Commandabilité des convertisseurs statiques 43
II.D.2.Fonction de connexion des interrupteurs 43
II.E.Modelisation aux valeurs instantanees 44
II.F.Relations de conversion simple et composee 45
II.G.Modele de connaissance 45
II.H.Strategies de Commande de L’onduleur Triphase a cinq niveaux
A CELLULES IMBRIQUEES 46
II.H.1.Généralités sur les M.L.I. triphasées 47
II.H.2.Commande triangulo-sinusoïdale à quatre porteuses en dent de scie bipolaires 48
II.H.2.1.Résultats de simulation 50
II.H.2.2.Interprétation des résultats 51
II.H.3.Modulation vectorielle 51
II.H.3.1.Résultats de simulation 52
II.H.3.2.Interprétation des résultats 53
II.H.4.Comparaison des stratégies 53
II.I.Alimentation De La MASDE Par Deux Onduleurs Triphases a Cinq
Niveaux a Cellules Imbriquees 53
II.I.1.Résultats de simulation 54
II.I.2.Interprétation des résultats 55
II.J.Conclusion 55
CHAPITRE III. Changeur de Frequence Utilisant L’onduleur
de Tension a Cinq Niveaux a Cellules Imbriquees 56
III.A.INTRODUCTION 56
III.B.Cascade de Deux Redresseurs de Courant À MLI – Deux Onduleurs de
Tension a Cinq Niveaux a Cellules Imbriquees- MASDE 57
III.C.MODELISATION DU REDRESSEUR DE COURANT A DEUX NIVEAUX 58
III.C.1.Commande en courant par hystérésis 59
III.C.1.2Résultats de simulation 61
III.C.1.3Interprétation des résultats. 62
III.D.MODELISATION DU FILTRE INTERMEDIAIRE 62
III.D.1.Résultats de simulation 63
III.D.2.Interprétation des résultats 64
III.E.Pont de clamping 64
III.E.1.Cascade Deux Redresseurs de Courant Triphase a Deux Niveaux –Deux Pont de Clamping – Deux Onduleurs triphases de Tension a Cinq Niveaux a
Cellules Imbriquees – MASDE 65
III.E.2.Modelisation et commande du pont de clamping 65
III.E.2.1.Résultats de simulation 67
III.E.2.2.Interprétation des résultats 69
III.F.Conclusion 70
CONCLUSION GENERALE 71
LISTE DES SYMBOLES 73
ANNEXE A. Paramètres de la MASDE. 75
ANNEXE B.1. Schéma SIMULINK de la commande indirecte sans réglage de vitesse
de la MASDE. 76
ANNEXE B.2. Schéma SIMULINK de la commande indirecte avec réglage de vitesse
de la MASDE. 77
ANNEXE C. Les matrices [ M (t) ] et [ N (t) ] 78
ANNEXE D. Photos du prototype de la machine asynchrone double étoile. 79
GLOSSAIRE 80
BIBLIOGRAPHIE 81
GLOSSAIRE
AcronymeSignificationACCourant alternatifDCCourant continuef.e.m.force électromotriceFFTFast Fourier Transformationf.m.m.force magnétomotriceFOCComande à flux orientéGTOGate Turnoff ThyristorIEEEInstituteof electrical and electronics engineersIGBTInsulated gate bipolar transistorMASDEMAchine ASynchrone Double EtoileMCCMachine à courant continuMLIModulation de Largeur d’ImpulsionsNPCPoint neuteclamping ou Potentiel distribuéP.UPar UnitéSMCStacked multicell converterTHDTaux d’harmoniqueVISVoltage source inverterWSEASWord scientific and engineering academy and society
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