Controle en V F Dune Machine Asynchrone [PDF]

Zitiervorschau

Université de Montpellier

Master Electronique Energie Electrique Automatique. Spécialité : Ingénierie Electrique et Fiabilité des Systèmes Année 2015-2016 De l’université de Montpellier

Rapport sur le stage effectué du 09/05/2016 au 24/06/2016 Dans : L’institut d’Electronique et des Systèmes

À Montpellier

Contrôle en V/F d’une machine asynchrone

Par Eldrige Nelson Pokem Watchou Tuteur : Thierry Martiré

REMERCIEMENTS Faculté des Sciences

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Université de Montpellier En premier lieu, je tiens à remercier M. Foucaran Alain, directeur de l’IES qui a rendu possible la réalisation de ce stage au sein de ce laboratoire. Je tiens à remercier sincèrement Monsieur Martiré pour l’opportunité qu’il m’a offerte d’effectuer un stage sous sa tutelle. Je remercie également messieurs les techniciens pour l’aide et le temps qu’ils ont bien voulu me consacrer et ce même après la date de fin du stage. Je remercie également les intervenants responsables de la formation (Master EEA), pour avoir assuré la partie théorique de celle-ci. Je souhaite adresser mes remerciements les plus sincères aux personnes qui m’ont apporté leur aide et qui ont contribué à l’élaboration de mon rapport de stage. J’adresse mes plus sincères remerciements à mes parents, mon frère et mes amis pour leur soutien, leur patience, leurs conseils et leur relecture lors de la rédaction de ce rapport de stage. Je tiens à exprimer ma reconnaissance envers eux qui ont eu la gentillesse de lire et corriger ce travail. Merci à tous et à toutes.

Résumé

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Université de Montpellier Le moteur asynchrone constitue l’essentiel du parc moteur dans les industries. On en retrouve par exemple dans les systèmes de levage ou plus récemment dans des porte-avions. Il offre un meilleur rapport performance/prix que d’autres moteurs tels que ceux continus par exemple. Cependant sa commande reste complexe. La loi U/F ou ’commande scalaire’ est la plus simple à mette en œuvre et surtout celle qui offre les performances les plus moyennes. Elle est basée sur le modèle permanent de la machine asynchrone et donc ne tient pas compte du régime transitoire. Ce rapport montre la nécessité de l’instauration d’une loi de commande, les éléments de cette commande et sa mise en place à travers des simulations à l’aide du logiciel de simulation PSIM.

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Sommaire Résumé........................................................................................................................................3 I. Introduction.............................................................................................................................7 II. Présentation de la machine asynchrone..................................................................................8 1. Simulation de la machine asynchrone.........................................................................10 2. L’appel de courant.......................................................................................................11 3. Le couple et la vitesse..................................................................................................12 4. La puissance absorbée.................................................................................................13 III. La loi scalaire : Contrôle V/F..............................................................................................15 IV. Mise en œuvre de la commande.........................................................................................20 1. Le redresseur................................................................................................................20 2. L’onduleur...................................................................................................................23 3. Simulation....................................................................................................................26 V. CONCLUSION....................................................................................................................32 VI. Références bibliographiques...............................................................................................33 VII. Abstract.............................................................................................................................34

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Liste des abréviations Symboles

Définitions

Rs

Résistance statorique

Ls

Inductance statorique

Rr

Résistance rotorique

Lr

Inductance rotorique

Ns

Vitesse de synchronisme (tr/min)

N

Vitesse de la machine (tr/min)

g

Glissement (Ns-N) /Ns

CEM

Couple électromagnétique

P

Nombre de paire de pôle

ωs/ ωr

Vitesse du stator/rotor en rad/s

Φs

Flux statorique

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Université de Montpellier Présentation du laboratoire L’institut d’Electronique et des Systèmes (IES) est une Unité Mixte de Recherche du CNRS (Institut INSIS) et de l’Université de Montpellier. Il est réparti entre le Campus du Triolet et celui de Saint-Priest. Il est le résultat de la fusion du CEM2, du LAIN et du LEM entre les années 2007 et 2010. Grace à la polyvalence de ses compétences, l’IES apporte des solutions pour l’observation, la mesure et l’analyse des phénomènes physiques qui nous entourent et participe donc à la résolution des enjeux sociétaux pouvant aller des problèmes énergétiques, alimentaires ou hydrauliques aux problèmes de santé d’urbanisme ou de sécurité  Conscient des évolutions technologiques et des demandes en matière de mesure toujours plus complexes, l’IES met un point d’honneur à rester à la pointe de l’innovation. Il oriente ses travaux vers une évolution scientifique et technique des composants et systèmes en cherchant à :  Les intégrer en les miniaturisant, en utilisant des nanotechnologies…  Les rendre de plus en plus performants via l’utilisation de sources/ détecteurs dans de nouvelles gammes spectrales de l’Infra Rouge et du Terahertz ou de composants faible bruit.  Les rendre plus communicants en augmentant les bandes passantes  Perfectionner leur autonomie énergétique  Améliorer la fiabilité (de l’électronique et des matériaux en milieux agressifs par exemple) Le groupe « Energie et matériaux » (GEM) oriente ses recherches autour de la performance des matériaux, de leurs composants et des systèmes pour l’énergie électrique. Ces activités sont destinées principalement au domaine des transports et à celui des grands réseaux d’énergie électrique. Le groupe « Energie et matériaux » cherche principalement à déceler les problèmes liés aux phénomènes de dégradation des matériaux et des composants, dans le but de proposer une évaluation des comportements en se projetant dans le futur. Les recherches menées concernent :  Les Structures et les matériaux isolants soumis à de fortes contraintes  La Fiabilité des systèmes d’électronique de puissance embarqués et les Architectures de convertisseurs

I. Introduction Faculté des Sciences

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Université de Montpellier La machine asynchrone est actuellement le moteur le plus utilisé dans l’ensemble des applications industrielles. De par sa robustesse, sa facilité de mise en œuvre, il représente la solution technologique économique lorsque la vitesse d’entraînement du récepteur mécanique doit rester quasiment constante malgré les variations du couple résistant. Par exemple on le retrouve dans des applications telles que les stations de pompage, les ascenseurs, les compresseurs de groupes producteurs du froid pour ne citer que cela. Ce moteur robuste nécessite très peu d’entretien et sa durée de vie est presque illimitée. Cependant, malgré toutes ses qualités, son bon fonctionnement est parfois altéré par des perturbations (de tension, mécanique…) provoquées par des incidents sur le réseau de distribution par exemple ou sur les installations électriques résultant du fonctionnement des dispositifs de protection. Des précautions de mise en œuvre sont donc parfois employées pour réduire la sensibilité des moteurs à ces perturbations (creux de tension, coupures…). De plus, de par sa structure, la machine asynchrone à cage d’écureuil par exemple, possède un défaut important par rapport à la machine à courant continu et aux machines de type synchrone. En étant alimenté par une seule armature, le même courant crée le flux et le couple. Donc les variations de flux vont créer des variations de couple ce qui est préjudiciable dans certaines applications. Ce type de couplage donne à la machine asynchrone un modèle complètement non linéaire, ce qui complexifie beaucoup la commande de cette machine. Ainsi, grâce aux recherches et aux avancées technologiques, des méthodes de commande telle que la loi V/F dite commande scalaire ont pu voir le jour. La première partie de ce document est une brève présentation de la machine asynchrone et mettra en évidence les problèmes (appel de courant, variation de couple...) à travers une simulation, que rencontrent la machine à induction lors de son utilisation, afin de mettre en évidence la nécessité de commande. Dans la deuxième partie, la commande scalaire sera présentée, ainsi que tous les éléments (redresseur, onduleur…) permettant la réalisation de la commande scalaire et donc l’asservissement du moteur.

II. Présentation de la machine asynchrone

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Université de Montpellier La machine asynchrone aussi appelée machine à induction (elle ne fonctionne que par la création de courants induits) est une machine électrique à courant alternatif dans laquelle aucun lien n’est établi entre le stator et le rotor. Un moteur asynchrone est constitué de : Un stator, sous forme d’enroulement alimenté en triphasé dont la fonction est de créer un champ magnétique tournant dans l’entrefer de la machine. Il constitue l’excitation ou l’inducteur du moteur. Il a pour rôle de créer un champ magnétique tournant dans l’entrefer de la machine. Dans tous les moteurs asynchrones, le stator reste inchangé, il n’y a que le rotor qui permet de distinguer deux types de moteurs asynchrones distinct. Un rotor constitué de conducteurs mis en circuit fermé. On distingue deux types de rotor : 

Rotor bobiné : Son enroulement est situé dans un circuit magnétique constitué composé de disques empilés sur l’arbre de la machine. Cet enroulement est obligatoirement polyphasé, même si le moteur est monophasé, et, en pratique, toujours triphasé à couplage en étoile. Les encoches, découpées dans les tôles sont légèrement inclinées par rapport à l’axe de la machine de façon à réduire les variations de réluctance liées à la position angulaire rotor/stator et certaines pertes dues aux harmoniques. Les extrémités libres des enroulements rotoriques sont sorties et reliées à des bagues montées ssur l’arbre, sur lesquelles frottent des balais en carbone. On peut ainsi mettre en série avec le circuit rotorique des éléments de circuit complémentaires (résistances, électronique de puissance…) qui permettent des réglages de la caractéristique couple/vitesse. Ce type de moteur est utilisé essentiellement dans des applications où les démarrages sont difficiles et/ou nombreux. Ce moteur est aussi nommé moteur à bagues, le collecteur et le balais alimentent l’induit. Rotor à cage simple ou « à cage d’écureuil » : Le circuit du rotor est constitué de barreaux conducteurs en cuivre ou en aluminium régulièrement réparties entre deux couronnes métalliques formant les extrémités. Cette cage est par la suite introduite dans un champ magnétique similaire à celui du moteur à rotor bobiné. Les matériaux utilisés pour les barres de la cage divergent en fonction des caractéristiques mécaniques et électriques recherchées : Elles peuvent être en cuivre, en bronze ou en aluminium comme c’est le cas pour des moteurs à basse tension(230/400V) par exemple. A l’inverse du rotor bobiné, le rotor à cage simple ne possède ni balais ni collecteur. Ce type de moteur est beaucoup plus aisé à construire que le moteur à rotor bobiné, il est d’une robustesse intrinsèque supérieure et son coût de revient est inférieur Il n’est donc pas étonnant qu’il constitue la plus grande partie du parc des moteurs asynchrones actuellement en service. Son inconvénient majeur est qu’il a, au démarrage, de mauvaises performances (courant élevé et faible couple). C’est pour remédier à cette situation qu’ont été développés deux autres types de cages (rotor à double cage et rotor à encoches profondes).

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Figure 1: Vue éclatée d'un moteur asynchrone à rotor bobiné

Figure 2: vue éclatée d'un moteur à cage d'écureuil

La machine asynchrone peut selon sa construction, être alimentée par un réseau monophasé ou par un réseau triphasé. Les machines monophasées ont des performances bien moindres que celles triphasées et ont un couple nul au démarrage sans artifice. De plus, le réseau étant triphasé et les machines à

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Université de Montpellier cage d’écureuil triphasées représentant la grande majorité des applications, seule la machine asynchrone triphasée fera l’objet de l’étude.

1. Simulation de la machine asynchrone La caractéristique mécanique d’un moteur asynchrone montre qu’il existe un couple à vitesse nulle. Il est donc possible de démarrer la machine en la branchant directement sur le réseau. Sous psim, le schéma implanté est le suivant :

Figure 3: Simulation d'une machine asynchrone alimentée sur le réseau

Il comprend :      

Une source sinusoïdale triphasée Un moteur à cage d’écureuil Deux capteurs : de couple et de vitesse Une charge pour l’entraînement du moteur Un ampèremètre pour mesurer le courant d’entrée Un watt-mètre pour mesurer la puissance activée consommée

Les paramètres de simulation sont les suivants :

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Figure 4: Paramètres de simulation

Pour que le moteur ne reste pas bloqué et par conséquent n’appelle pas indéfiniment un courant excessif, le couple moteur doit être supérieur au couple résistant imposé ici par la charge. Ce couple moteur doit être assez grand pour éviter un démarrage trop lent et un appel de courant long. Cependant, un couple élevé permettra un démarrage bref mais causera un à-coup qui peut être préjudiciable pour l’ensemble mécanique entraîné et causé une usure prématurée. Ainsi, le couple moteur ne doit être ni trop grand ni trop petit. Les résultats de simulation permettent de mettre en évidence les problèmes de la machine asynchrone lors de son fonctionnement.

2. L’appel de courant L’oscillogramme de la figure (5) représente l’évolution du courant d’un moteur asynchrone alimentée directement sur le réseau. On remarque un fort appel de courant (environ 370 A). En effet, si le moteur est immobilisé ou au démarrage, le courant atteint la valeur du courant de démarrage. Cette intensité a une valeur crête pouvant parfois atteindre 10 fois la valeur du courant efficace nominal durant le régime transitoire et a une valeur moyenne nulle lors du régime établi. De plus, on constate que le courant est d’autant plus grand que la vitesse de rotation est faible.

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Figure 5: Appel de courant lors du démarrage

3. Le couple et la vitesse La vitesse évolue quant à elle presque linéairement pour atteindre une valeur fixe durant le régime établi. On remarquera cependant que, durant le régime transitoire, la vitesse de rotation croit moins vite lorsque le couple est décroissant. Ceci s'explique par le fait que le moteur tourne dans le sens inverse, l'arbre est donc entrainé également dans le sens inverse.

Figure 6: Couple moteur

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Figure 7: Vitesse de démarrage

4. La puissance absorbée

Figure 8: Puissance active absorbée lors du démarrage

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Université de Montpellier On constate aussi un appel de puissance important lors du démarrage de la machine asynchrone. Cet appel de puissance a pour conséquence une surfacturation du coût d’exploitation par exemple de la machine. Pour résumer, la machine asynchrone alimentée directement sur le réseau présente de nombreux avantages comme la simplicité de l’appareillage de commande ce qui à priori signifie moins de coût de mise en œuvre, un couple important lors du démarrage, toujours supérieur au couple nominal et un temps de démarrage court. Il convient aux moteurs de petite puissance par exemple. Cependant, l’appel de courant est très important et risque, si le rapport entre l’intensité de démarrage et le courant n’est pas supporté par l’installation, de lui être préjudiciable. Des solutions existent pour résoudre ce problème. Comme un démarrage sous tension réduite (couplage étoile-triangle) (a), par auto-transformateur (b), par résistances statoriques (c) ou rotoriques (d). Mais elles possèdent des inconvénients encore plus contraignant tels qu’un couple de démarrage imposé par le réseau, une mise en régime plus longue (a) ; mise en œuvre onéreuse ou ne convenant pas aux faibles puissances (b et d), si le courant est divisé par 3 alors le couple est divisé par 9 (c). De plus, le but est de parvenir à un contrôle du rapport V/F donc la solution technologique adéquate doit permettre un asservissement de ce rapport.

III. La loi scalaire : Contrôle V/F  Faculté des Sciences

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Université de Montpellier La commande scalaire est, la plus ancienne et la plus simple des lois de commande d’une machine asynchrone. Elle est utilisée essentiellement pour des applications ne nécessitant que des performances statiques ou dynamiques moyennes. De nous jours, grâce aux avancées de l’électronique de puissance, de nombreux variateurs utilisent ce mode de commande. On en retrouve essentiellement pour des applications industrielles de pompage, climatisation, ventilation. Le principe de cette méthode est assez rustique. Il consiste à imposer aux bornes de l’induit de la machine, le module de la tension ou du courant ainsi que la pulsation. Plusieurs commandes scalaires existent selon que l’on agit sur le courant ou sur la tension. Elles dépendent surtout de la topologie de l’actionneur utilisé (Onduleur de tension ou de courant). Dans l’alimentation en tension, les onduleurs fournissent des tensions dont la forme et l’amplitude peuvent être considérées indépendantes de la charge. Par contre dans l’alimentation en courant, les courants fournis ont des formes et des amplitudes influencées par la nature de la charge. La variation de la vitesse est obtenue par la variation de la pulsation statorique qui est générée directement par le régulateur. Cette méthode de commande est basée sur le modèle de la machine en régime permanent. Pour cette raison, l’étude du modèle de la machine en régime établi est importante (annexe 1). Hypothèses simplificatrices :    

La machine est supposée parfaitement symétrique. Les résistances des enroulements ne varient pas avec la température L’absence de saturation et de pertes dans un circuit magnétique Les champs magnétiques ont une répartition spatiale sinusoïdale le long de l’entrefer

On peut alors assimiler une phase du un transformateur monophasé parfait.

stator et

la

phase correspondante du

rotor à

Soit la figure (9) représentant le schéma de SteinMetz valable en régime permanent sinusoïdal (convention récepteur).

Figure 9: Schéma de STEINMETZ

Vs et Is représentent la tension simple et le courant pour une des phases de la machine. Le courant Io est le courant magnétisant, il représente le flux du stator. Le courant Ir est un

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Université de Montpellier courant « fictif » dont la pulsation est ωs. L’amplitude de ce courant est proportionnelle aux courants rotoriques réels et de pulsation ωr. Il est important de noter que toutes les grandeurs tensions et courants de ce schéma équivalent sont à la pulsation ωs. Le flux est créé par le courant circulant dans l’inductance magnétisante Lm. Afin d’optimiser les performances de la machine, il faut que le flux et donc le courant magnétisant Io soit maintenu sensiblement constant sur toute la plage de variation de vitesse. Le moteur asynchrone est alimenté par un réseau d'alimentation triphasé et il produit un champ tournant à la vitesse de synchronisme : ns=f/P Ainsi, en agissant sur la fréquence on peut modifier la vitesse de synchronisme et donc le point de fonctionnement du moteur. Afin de simplifier encore plus le modèle figure (9), la résistance Rs est généralement négligée (figure 10). Hypothèse qui n'est valable qu'au voisinage du point de fonctionnement nominal de la machine.

Figure 10: schéma simplifié du modèle de STEINMETZ

A partir de ce modèle, nous pouvons calculer la puissance électromagnétique puis en déduire l'expression couple électromagnétique fourni par la machine asynchrone 3∗R r 2 Puissance transmise au rotor : PTR = ∗I ' r avec I'r = g

Vs

(√ Rg ) 2+( NsWs ) (1) r

Pertes joules au rotor : PJR = 3 R'r. I ' r 2= g PTR (2) Puissance électromagnétique : PEM = PTR - PJR = PTR (1-g) (3) Avec PTR =

R' r g ¿¿

Vs 2∗ 3

Couple Electromagnétique : Faculté des Sciences

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2

Université de Montpellier CEM =

PEM P EM PEM = = p Ω Ωs(1−g) ωs(1−g)

=p

PTR ωs

Vs 2 R ' r )∗ CEM = ωs g (4) 3p ¿¿ (

La tension et le flux statorique sont liés par la relation : Vs = jωsΦs

On en déduit l’expression suivante du couple électromagnétique : 2

CEM = 3 p Φ s

R' r ωr (5) ( R ' r)2 +(Ns ω r )2

On voit donc d’après la relation (5), que pour contrôler le couple électromagnétique de la machine, il faut contrôler le flux statorique Φs (donc le courant) et la pulsation rotorique ωr (Grandeur qui n'est pas directement accessible). A flux statorique constant, on peut tracer (Fig 11) à partir de l'expression (5) la courbe de variation du couple électromagnétique en fonction de la pulsation rotorique

Figure 11: variation du couple en fonction de la pulsation

La courbe présente un maximum CEMmax pour la pulsation notée ωrmax : ωrmax = R'r /Ns Et CEMmax = 3pΦs 2.

1 Ns

Lorsque la pulsation est faible (ωr -> 0 : faible glissement), le couple électromagnétique est proportionnel à la pulsation ωr : Faculté des Sciences

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Université de Montpellier CEM = 3pΦ s2.

ωr R' r

A partir de la connaissance de la loi CEM = f (ωr) différentes stratégies de commande des machines asynchrones ont été élaborés. Cependant, ces caractéristiques sont limitées lorsque la valeur du glissement est faible, de plus à fréquences ou tensions sont faibles, il n’est plus possible de négliger la résistance statorique (Rs). Le couple délivré par la machine est alors déterminé par la caractéristique de la charge mécanique entraînée. Forts de cette modélisation de la MAS et de son mode d’alimentation, nous pouvons désormais envisager des lois de commande pour agir sur le couple et donc la vitesse. Il faut imposer une loi dite loi tension/fréquence (V/F) ou comme on préfère qualifier l’alimentation triphasée par la valeur efficace U de sa tension composée, on parle aussi de loi (U/F). On distingue 2 lois de variation en V/F : Ajustage manuel Aussi appelé « boost manuel », cette méthode consiste à augmenter de façon fixe la tension à basse fréquence, la tension appliquée au moteur ne dépendant pas de sa charge. Cette méthode permet à la machine asynchrone, comme dans le cas de l’alimentation directe sur le réseau, d’avoir un couple élevé à basse vitesse mais présente aussi l’inconvénient de maintenir un courant élevé dans le moteur lors du fonctionnement à vide avec en plus des risques de saturation et de surcharge. Cette méthode n’est donc pas la plus adéquate pour l’asservissement de la machine. Ajustage automatique Au lieu de l’alimentation réseau « normale », cette méthode permet de délivrer au moteur une tension compensée automatiquement de la valeur de la chute de tension aux bornes de la résistance statorique (Rs). Ainsi, à une vitesse donnée, la tension fournie au moteur varie en fonction de la charge. Aussi appelé “boost automatique”, c’est un réglage permet de faire varier le coefficient et donc de compenser au plus juste la chute de tension RsI du moteur utilisé (augmentation de la tension aux basses fréquences pour compenser la chute de tension aux bornes de Rs). Cet ajustage permet d’obtenir un couple élevé à basse vitesse, tout en ayant un courant faible à vide. Par contre, il présente l’inconvénient d’augmenter le temps de réponse. Un excès de compensation peut également conduire à une suralimentation entretenue du moteur : - augmentation de la charge, - augmentation de la tension, Faculté des Sciences

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Université de Montpellier - augmentation du courant. Nous cherchons à agir sur une grandeur, le couple, et nous disposons de deux degrés de liberté grâce à notre mode d’alimentation : les tensions sur les phases et la pulsation statorique. Comme vu précédemment, le flux va être proportionnel au rapport de la tension aux bornes des phases avec la fréquence statorique. On agira sur la vitesse en commandant la pulsation statorique, tout en gardant ce flux constant. On veillera bien entendu à ne pas dépasser ainsi la tension nominale de la machine. La loi est résumée dans le schéma suivant :

Figure 12: Evolution théorique de la tension en loi U/F

Au flux nominal, on ne peut plus considérer le circuit magnétique de la MAS comme non saturé, cependant, nous supposerons que cette erreur de modèle n’aura que peu d’influence sur la performance de la commande.

IV. Mise en œuvre de la commande La fréquence de rotation de la machine étant au glissement près proportionnel à la fréquence d’alimentation des enroulements statoriques, on essaiera de créer pour ces enroulements un réseau à fréquence variable ce sont les Onduleurs de tension. On peut aussi chercher à injecter Faculté des Sciences

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Université de Montpellier des courants dans les enroulements pour imposer le couple de la machine, ce sont les Onduleurs de courant ou commutateurs de courant. On peut également convertir directement la fréquence du réseau industriel en une fréquence variable plus faible (de 0 à 1/3 de la fréquence réseau) à l’aide d’un cycloconvertisseur à commutation naturelle piloté lui aussi en fréquence en courant. Ce sont des convertisseurs statiques. Les convertisseurs statiques sont des circuits électriques utilisant des semi-conducteurs de puissance en régime de découpage pour traiter l’énergie électrique à haut rendement et assurer les fonctionnalités suivantes : 

 

Transformation : génération d’une tension alternative à partir d’une source continue et vice versa. Régulation : alimentation constante d’une charge à partir d’une source variable. Adaptation : alimentation d’une charge basse tension à partir d’une source haute tension et vice versa

1. Le redresseur Pour assurer la conversion alternatif-continue, on utilise un montage redresseur ou plus communément redresseur. Ils sont alimentés par une source monophasé ou triphasé selon les applications et permettent d’alimenter en courant continu le récepteur de sortie. L’énergie électrique générée et distribuée par le réseau étant alternative, on retrouve des redresseurs dans de vastes domaines d’applications. A chaque fois que l’on a besoin de continu en sortie mais que la distribution est alternative on utilise un redresseur. Les redresseurs à diodes, ou redresseurs non contrôlés, ne permettent pas de faire varier le rapport entre la ou les tensions alternatives d'entrée et la tension continue de sortie. De plus, ils sont irréversibles, c'est-à-dire que la puissance ne peut aller que du côté alternatif vers le côté continu. Les redresseurs à thyristors, ou redresseurs contrôlés, permettent, pour une tension alternative d'entrée fixée, de faire varier la tension continue de sortie. Ils sont de plus réversibles ; lorsqu'ils assurent le transfert de puissance du côté continu vers le côté alternatif, on dit qu'ils fonctionnent en onduleurs non autonomes.

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Figure 13: Exemple de redresseur sur charge résistive

Sous Psim, le schéma de simulation est le suivant :

Figure 14: redresseur non commandé

C’est un montage à pont de diodes triphasés (PD3) dont l’indice de commutation est 3. Il est donné par la durée de conduction de chaque diode et correspond au nombre de phases du réseau. Ce qui signifie que chaque diode va conduire pendant un tiers de la période. L’indice de pulsation p de la tension redressée donne le nombre de sinusoïdes par période de la tension redressée. Dans notre cas il est égal à 6. Ce qui signifie que pour une période du signal alternatif, la tension redressée sera composée de 6 portions. Les résultats de simulation sont les suivants :

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Figure 15: Tension de sortie d'un redresseur non commandé

Il existe aussi des redresseurs commandés à thyristors dont le schéma de simulation est le suivant :

Figure 16: redresseur commandé

La commande s’éffectue à l’aide d’un module sous psim ‘Switch Gating Block’. Il permet de définir le motif de déclenchement du commutateur, chaque action est comptée comme un point de commutation. Il permet de définir les angles de c Faculté des Sciences

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Figure 17: Bloc de commande

Figure 18: Résultats de commande

2. L’onduleur Un onduleur est un convertisseur continu/ alternatif. Ils sont utilisés principalement dans deux types de systèmes : 

Les alimentations sans interruption (ASI). Elles servent habituellement comme système d’alimentation de secours pour les systèmes informatiques par exemple. La source de tension continue est généralement constituée d’une batterie d’accumulateurs. La fréquence et la tension de sortie sont fixes.

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Les variateurs de vitesse pour machines asynchrones. La source continue est obtenue grâce à un redresseur. La fréquence et la tension de sortie de l’onduleur sont des grandeurs variables.

La partie puissance de l’onduleur est composé de six interrupteurs. Chaque interrupteur comporte un transistors IGBT et une diode en parallèle. Ces interrupteurs sont commandés par la partie commande. Les semi-conducteurs travaillant en commutation, la tension de sortie de sortie n’est pas exactement sinusoïdale. Elle présente des parties de tension continue. Cependant, dans les cas de la machine asynchrone, l’inductance du stator est suffisamment grande pour assurer le filtrage.

Figure 19: Onduleur de tension avec ses grandeurs de commande

Il existe plusieurs types de commande d’un onduleur : 

La commande pleine onde : Pour chaque phase, on commande pour un bras d'onduleur la moitié du temps l'interrupteur du haut, la moitié celui du bas afin de créer une alternance tension positive, tension négative et ainsi créer une tension alternative. L’inconvénient est que l’on ne pourra pas avec cette commande, réaliser la loi U/F

La commande par modulation de largeur d’impulsions (M.L.I) : On découpe la tension continue à haute fréquence afin de reconstituer par morceaux une sinusoïde à la fréquence et amplitude désirées. De plus, la modulation MLI permet donc de résoudre le problème, puisque chaque alternance de la tension ou de courant de sortie est formée à largeur convenable ( Il existe deux types de M.L.I : 

M.L.I intersective : C'est la plus classique. Elle consiste à comparer la modulante (le signal à synthétiser) à une porteuse généralement triangulaire. Le signal de sortie vaut 1 si la modulante est plus grande que la porteuse, 0 sinon ; le signal de sortie change donc d'état à chaque intersection de la modulante et de la porteuse. Cette méthode se prête bien à une réalisation analogique : il suffit d'un générateur triangle et d'un comparateur. Il existe de nombreux circuits intégrés dédiés.



La MLI dite space vector (vecteur spatial) est surtout applicable aux variateurs de vitesse triphasés sans neutre. Elle consiste à considérer globalement le système triphasé, et à lui appliquer une transformée de Concordia pour se ramener dans le plan (Vα, Vβ). Le système triphasé de tensions à générer pour la durée d'échantillonnage en

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Université de Montpellier cours peut alors être représenté comme un unique vecteur dans ce plan. Ce vecteur n'est pas directement réalisable par les interrupteurs du variateur, mais on peut chercher les trois configurations les plus proches (situées sur les sommets et au centre de l'hexagone), et les appliquer successivement pendant une fraction adéquate de la période d'échantillonnage, de façon à obtenir en moyenne le vecteur recherché. En modulation sinusoïdale, elle donne des résultats similaires à la MLI intersective à porteuse triangulaire centrée. On choisira donc un onduleur avec modulation de largeur d’impulsions. Soit le montage suivant caractérisant une MLI avec porteuse triangulaire.

Figure 20: MLI

La commande MLI permet d’avoir un courant quasi-sinusoïdale en sortie (figure du haut). Plus la fréquence de la porteuse sera élevée (la plus élevée possible) plus le courant en sortie aura une forme sinusoïdale (figure du bas).

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Figure 21: Courant de sortie

3. Simulation Comme énoncé précédemment, pour réaliser la commande du moteur, nous avons besoin de l’ensemble de ces éléments. Soit le montage suivant :

Figure 22: Schéma de simulation convertisseur+masy

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Figure 23: Paramètres de simulation

Les résultats de cette simulation sont donnés figure suivante.

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Figure 24: Résultats simulation : de haut en bas on a respectivement la vitesse, le couple et le courant

Cet ensemble (convertisseur+masy) permet d’améliorer les performances de la machine notamment sur l’appel de courant vu plus haut ou le couple en sortie. De plus, il permet d’avoir une meilleure précision pour la vitesse de sortie. Cependant, la forme l’ondulation de courant dû à la MLI n’est pas satisfaisante et on ne contrôle pas correctement le rapport V/F. Il faut donc améliorer ce schéma afin de pouvoir avoir encore de meilleures performances.

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Université de Montpellier Pour se faire on crée un variateur de vitesse permettant la commande U/F qui permettra en plus d’aérer le montage. On obtient le montage suivant :

Le variateur de vitesse (ici symbolisé par le bloc dq, la source et le bloc PI) assure les mêmes fonctions que la partie précédente. En entrée il reçoit une consigne de courant à travers un bloc ‘Boost’ qui est reçoit le coéfficient K permettant la correction en vitesse. La charge mécanique est contrôlée par un paramètre extérieur, ici une source ‘Step’ qui servira de consigne en vitesse. De plus, on peut grâce à ce montage piloter la machine a des fréquences différentes à l’aide de la constante 10 et du paramètre K symbolisant la fréquece d’entrée du système. Idéalement, les paramètres de sortie de la machine (couple, vitesse) devraient avoir l’allure suivante :

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Figure 25: Consigne de vitesse et de couple pour des fréquences de 10Hz (en haut) et 30 Hz en bas)

Cependant, lors de la simulation on trouve :

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V. CONCLUSION Les moteurs asynchrones, bien qu’aux qualités nombreuses, sont difficiles à contrôler. Principalement utilisés en branchement direct sur le réseau, ils présentent un fort appel de courant et un à-coup lors du démarrage comme vu lors de la simulation, ce qui peut être préjudiciable pour la mécanique entraînée ou pour les appareils électroniques raccordés si le réseau ne peut pas supporter cette surintensité. Ce fût l’occasion de mettre en place une loi de commande dite loi U/F ou commande scalaire qui permet de maintenir un rapport constant tension/fréquence constant ou variable (moins performante) selon les besoins de l’utilisateur. Cette commande est basée sur le modèle régime permanent et permet tout juste d’atténuer l’appel de courant grâce au convertisseur et aux éléments nécessaires à sa mise en place. Cependant, elle est facile à mettre en œuvre et offre les performances les plus moyennes pour la machine asynchrone. Ce stage m’a permis d’approfondir mes connaissances acquises tout au long de ma formation mais aussi d’en apprendre un peu plus sur la modélisation et la commande d’un moteur asynchrone. Sans compter l’expérience acquise sur la simulation sous PSIM.

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VI. Références bibliographiques Sites internet consultés : http://mattgk.hd.free.fr/boulot/enseignement/MAS.pdf http://www2.schneider-electric.com/documents/technicalpublications/fr/shared/electrotechnique/savoir-electrotechnique/basse-tension-moins1kv/ct207.pdf http://www.larmand.fr/fichiers/Ancien_site/enseigne/ressources/techno/bourse %20cours/COURS/machine%20asynchrone%20variation%20vitesse.pdf http://www.iufmrese.cict.fr/telechar/docu-pdf/VACOALT1.PDF http://www.baghli.com/dl/courscmde/cours_cmde_MAS.pdf https://www.schneider-electric.fr/documents/enseignement/intersection-guides/GT-1998la-commande-de-moteur-asynchrone.pdf

Livres Modélisation et commande de la machine asynchrone, Éditions Technip, J.-P. Caron. T.P. d’électrotechnique par simulation : préparation, manipulation et solution avec PSIMDEMO, Editions ellipses, François LEPLUS Électrotechnique expérimentale : schémas, graphes et simulations, Editions ellipses, Christophe HAOUY

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Université de Montpellier Articles et thèses : DE FORNEL, Bernard, "Machines asynchrones Commande par contrôle scalaire", "Techniques de l'ingénieur Machines électriques tournantes : conception, construction et commande",2016, ref. article : d3622

VII. Abstract The asynchronous motor is the essential motor park in industries. For example those found in the lift systems and more recently in aircraft carriers. It offers a better price / performance ratio than other motors such as continuous example. However, the order remains complex. The U / F law or scalar control is the simplest to implement and especially one that offers the most average performance. It is based on the permanent model of the asynchronous machine and therefore does not take account of the transitional regime. This report shows the need for the establishment of a control law, the elements of this order and its implementation through simulations using PSIM simulation software.

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