Contribution à l'optimisation de structure des convertisseurs pour la commande des machines asynchrones : réalisation expérimentale

Abstract

L'objectif poursuivi dans notre travail porte sur le développement d’une nouvelle méthode pour réduire le nombre de commutations dans une nouvelle structure d’onduleurs triphasé et monophasé, afin de réduire les harmoniques injectés dans le moteur asynchrone, et la minimisation des oscillations du couple électromagnétique. L’onduleur qui est en pont complet est associé à un filtre passif de second ordre de type LC. Les angles de commutation des interrupteurs de puissance sont pré calculés hors ligne puis stockés dans la mémoire d’un DSP afin de favoriser la rapidité de la commande en ligne du moteur. Les angles de commutation sont pré calculés de telle manière à réduire les harmoniques proches du fondamental et de maintenir une tension unipolaire entre les bornes des condensateurs, afin de permettre l’utilisation de condensateurs polarisés dont la capacité volumique est importante. Le rôle du filtre passif est de supprimer les harmoniques restants de rangs forts. Le but de l’association de la commutation pré calculée et du filtre passif est de réduire le nombre de commutations par période tout en générant une tension d’alimentation de bonne qualité. Une plateforme expérimentale, pilotée par une carte dSPACE, a été développée afin d’être utilisée dans les tests de validation expérimentale des différents résultats obtenus en simulation. Les différents travaux concernant le sujet font l’objet de quatre chapitres qui constituent cette thèse. Le premier chapitre est consacré à la présentation et à la modélisation de la machine asynchrone triphasée (MAS) et de son alimentation MLI triangulaire, où nous rappelons, en premier lieu, le modèle de la MAS, nous donnons de manière explicite, le modèle mathématique de cette machine dans son référentiel triphasé. Puis, nous réduirons l’ordre du système par la transformation de Park. Par la suite, une commande vectorielle est élaborée. Le contrôle des différentes boucles est assuré par des régulateurs linéaires classiques. En dernier lieu, nous présentons le dispositif expérimental mis en place pour valider les résultats obtenus par la simulation numérique. Les logiciels de commande ainsi que les interfaces de mesures et de contrôle du convertisseur sont décrits. L'implantation du système de contrôle sera réalisée à l'aide d'une carte dSPACE DS1103. Le deuxième chapitre présente la modélisation de la machine monophasée avec un peu plus de détails concernant son fonctionnement, son problème de démarrage ainsi que, sa modélisation. Le modèle de la machine est validé expérimentalement. L’alimentation MLI triangulaire est présentée. Par la suite, La commande vectorielle de la machine asynchrone monophasée ainsi que les modèles utilisés pour la simulation de la machine et pour le contrôle sont présentés. Le troisième chapitre traite principalement la conversion DC-AC de l’énergie électrique. Nous nous sommes essentiellement intéressés aux onduleurs monophasés et triphasés pilotés par une carte dSPACE DS1103 à travers l’utilisation d’une MLI basée sur une nouvelle approche de détermination des angles de commutation. L’ensemble est destiné à alimenter des actionneurs intégrés dans des applications électriques. Les points suivants ont été développés: - La détermination des angles de commutation pré-calculés permettant d’obtenir un nombre de commutation extrêmement réduit par rapport à la MLI classique. Ces angles de commutation sont déterminés à travers la solution d’un système d’équations non linéaire représentant l’identité des harmoniques de la tension de référence (désirée) et la tension de sortie de l’onduleur. A chaque amplitude du fondamental correspond une famille d’angles de commutation. Le rang du système d’équations non linéaire, dépend du nombre de commutations choisi par période de la tension de sortie. - Un nouveau modèle d’onduleur à commande unipolaire, a été développé. Ce modèle permet de garder une tension unipolaire entre les bornes du condensateur tout en faisant satisfaire l’objectif principal de réduction du taux d’harmonique. - Pilotage de l’onduleur en temps réel permettant la mise en œuvre pratique des différentes familles d’angles de commutation et la validation expérimentale. La simulation numérique de l’association machine-onduleur MLI pré-calculé fait l'objet d'un quatrième chapitre. Une comparaison des performances de la commande vectorielle avec les deux types d’alimentations (MLI et MLIPC) est exposée de manière plus détaillée. Les résultats obtenus sont comparés, permettant ainsi d’en tirer des conclusions.