Etude et commande des différentes cascades redresseurs de tension triphasé MLI - onduleur de tension à cinq niveaux : application à la conduite de la machine asynchrone de forte puissance

Abstract

L’objectif de ce travail est de proposer des solutions concernant l’instabilité des tensions du bus continu de l’onduleur de tension à cinq niveaux à structure NPC alimentant une machine asynchrone de forte puissance. A cet effet, nous avons présenté, en premier, quatre structures de variateurs de fréquence incluant comme pont d’entré le redresseur de tension triphasé à MLI et comme pont de sortie l’onduleur de tension triphasé à cinq niveaux à structure NPC. Ainsi, nous avons montré comment générer les tensions du bus continu de l’onduleur à partir de réseaux électriques triphasés et avons mis en évidence le problème d’instabilité des tensions du bus continu. En outre, nous nous sommes penchés sur le développement d’algorithmes de commande de ses systèmes dans les deux repères triphasé et diphasé. La régulation des tensions du bus continu est réalisée à l’aide des régulateurs PI. Nous avons ensuite appliqué ces algorithmes pour la commande en boucle fermé des tensions du bus continu des variateurs de fréquence proposés. Pour obtenir, de meilleures performances, nous avons introduit des circuits d’équilibrage capables de stabiliser les tensions du bus continu de l’onduleur de tension à cinq niveaux à structure NPC. Les variateurs de fréquence ainsi conçus sont capables de fournir des tensions de meilleure qualité harmonique avec un facteur de puissance unitaire côté réseau. Dans le but d’approfondir chacun de ces points, ce manuscrit de thèse est organisé en quatre chapitres. Le premier chapitre est consacré à la modélisation et la commande des deux convertisseurs statique à savoir l’onduleur de tension triphasé à cinq niveaux à structure NPC et le redresseur de tension triphasé à deux niveaux. En utilisant les fonctions de connexions et les fonctions génératrices, nous élaborons les modèles de connaissance et de commande de ces convertisseurs dans le repère triphasé ABC. Ces modèles sont utilisés pour le développement de stratégies de commande à MLI. Dans le deuxième chapitre, nous présentons quatre structures de variateurs de fréquence ayant le redresseur de tension triphasé à MLI comme étage d’entrée et l’onduleur de tension triphasé à cinq niveaux à structure NPC comme étage de sortie. Pour chaque variateur, nous élaborons le modèle mathématique du filtre intermédiaire du bus continu et nous mettons en évidence le problème d’instabilité des tensions aux bornes des condensateurs d’entrée de l’onduleur à cinq niveaux. Comme application, les performances de l’asservissement de vitesse de la machine asynchrone, alimentée par ces changeurs, sont montrées par des simulations numériques. Le troisième chapitre est consacré au développement d’algorithme d’asservissement du redresseur de tension dans les deux repères triphasé et diphasé. La commande dans le repère triphasé ABC utilise plusieurs boucles en cascades. Nous utilisons dans chaque boucle des régulateurs PI. Nous proposons, en suite, un algorithme de réglage du redresseur de tension dans le repère diphasé dq. Pour ce faire, nous développons le modèle de Park de ce redresseur avec son filtre d’entrée. Le modèle du redresseur de tension dans le repère diphasé dq présente plusieurs couplages entre les deux axes ce qui rend sa commande complexe. A cet effet, nous ajoutons des termes de compensation permettant le découplage des axes d et q. Les deux algorithmes proposés utilisent plusieurs régulateurs en cascade. Aussi, les variables d’état du filtre d’entrée doivent être mesurées et contrôlées, ce qui demande un temps de calcul important. A cet effet, nous proposons, un nouvel algorithme simplifié de l’asservissement du redresseur de tension à deux niveaux. Pour cela, nous élaborons le modèle complet au sens des valeurs moyennes du redresseur de tension dans le repère diphasé dq. Une boucle de contrôle rapide, conçue en tenant compte seulement du modèle du filtre de sortie, est employée pour la régulation de la tension de sortie du redresseur triphasé. Le déphasage des courants appelé au réseau est régulé par la boucle de courant de sortie du redresseur sans recourir au réglage des variables d’états du filtre d’entrée capacitif. Des simulations numériques sont réalisées pour montrer les performances de ces algorithmes de commandes. Dans le quatrième chapitre, nous appliquons les algorithmes de commande du redresseur dans le repère dq pour contrôler les tensions du bus continu des quatre variateurs de fréquence. Nous proposons, pour chaque changeur de fréquence, des schémas de commande des tensions du bus continu et des courants de ligne absorbés par le réseau. Pour améliorer la stabilité de ses tensions, nous introduisons, deux types de circuits auxiliaires en parallèle avec le filtre capacitif du bus continu. Nous avons choisi d’utiliser le pont résistif et le pont inductif. Pour ce faire, nous développons, pour chaque pont, une nouvelle modélisation des filtres intermédiaires des variateurs de fréquence. Nous avons appliqué, par la suite, l’algorithme de commande de chaque circuit pour contrôler les tensions du bus continu de l’onduleur de tension à cinq niveaux. Pour finir, une conclusion générale terminera ce manuscrit et présentera les perspectives sur les travaux réalisés de cette thèse.