Redresseur MLI Triphas de Tension
1. INTRODUCTIONLaccroissement des quipements lectriques
utilisant des convertisseurs statiques de type redresseur a connu
un essor important aussi bien sur le plan industriel que
domestique. Cest ainsi que le rseau de distribution BT est le sige
de perturbations importantes que le distributeur a du mal enrayer.
Sans prcautions particulires, ces convertisseurs sont polluants et
absorbent des courants harmoniques qui ne sont pas sans effets sur
londe de tension dlivre. Devant ce constat, il apparat important de
dvelopper sur le plan industriel des dispositifs de filtrage actif
au niveau curatif et une dmarche prventive afin de concevoir des
alimentations non-polluantes, cest--dire dotes dune structure et
dun dispositif de commande rendant le courant prlev le plus
sinusodal possible.Dans ce contexte et depuis une dizaine dannes,
des convertisseurs statiques nonpolluants facteur de puissance lev
ont commenc apparatre sur le march concernant surtout la conversion
AC/DC. En effet, des changements ont t apports sur les ponts
redresseurs conventionnels modifiant leur structure ou leur systme
de commande afin de rduire leur injection de courants harmoniques
dans le rseau. Ces nouveaux convertisseurs AC/DC se distinguent par
leur structure et par la manire de grer les courants absorbs, ils
sont rpertoris sous lappellation de redresseurs absorption de
courant sinusodal. Parmi ces structures, les plus rpandues et les
plus attractives se trouvent le redresseur MLI. Il est caractris
par un comportement quasi rsistif vis--vis du rseau
dalimentation.Outre sa capacit contrler les courants absorbs et
fonctionner avec un facteur de puissance proche de lunit, le
redresseur MLI peut galement oprer sous deux modes : redressement
et rgnration. Il contrle ainsi lcoulement de puissance active et
ractive dans les deux directions. Cet avantage lui permet dtre
exploit dans de multiples applications, plus particulirement celles
fonctionnant frquemment en mode de rgnration et ncessitant le
contrle de flux de puissance bidirectionnel (entranements vitesse
variables par exemple). Ce convertisseur constitue actuellement un
thme de recherche cl pour les spcialistes du domaine. Les
recherches effectues portent principalement sur les stratgies de
commande surtout celles dites avances (prdictive, floue, rseaux de
neurones,..etc.) ainsi que sur le choix et le dimensionnement du
filtre dentre.Dans un redresseur MLI triphas absorption de courant
sinusodal, la partie la plus importante et la plus dlicate dans le
contrle du systme global est la boucle de courant. Les performances
de contrle du courant dterminant les prestations du systme global.
Au cours de ces dernires annes, un intrt particulier a t port ltude
des stratgies de contrle qui offrent de bonnes performances en
termes de rapidit, de prcision et de robustesse. De nombreuses
mthodes de contrle ont t proposes ; la plupart de celles-ci peuvent
tre classes dans un des trois groupes : contrle par hystrsis,
contrle indirect, contrle prdictif. Le contrle par hystrsis
classique est simple et bon march. Comme caractristiques
avantageuses, il prsente une bonne rapidit et une bonne robustesse
(sa stabilit ne dpend pas des paramtres du systme). Son plus grand
inconvnient est que les variations de la frquence de commutation
peuvent produire une augmentation des pertes par commutation
(hautes frquences de commutation) et la non limination de quelques
harmoniques dordre bas (basses frquences de commutation). Diverses
modifications ont t proposes pour travailler frquence de
commutation constante, mais pour inconvnients une perte de
simplicit et de robustesse ainsi que la ncessit de disposer dune
bonne connaissance des paramtres du systme. Dans le cadre de cette
problmatique de recherche sur le fonctionnement frquence de
commutation constante des convertisseurs de puissance, sattache
tudier deux techniques de commande avances appliques au redresseur
MLI ; ont pour rle dapporter une modification sur la bande de
contrle par hystrsis et pour objectif dassurer une frquence de
commutation stable afin damliorer les performances du redresseur
MLI. A cet effet, aprs lexposition du principe de fonctionnement du
redresseur MLI avec sa commande par hystrsis classique, nous allons
introduire dans un premier temps la technique Dead-Beat hystrsis dj
dveloppe au chapitre 2 pour le FAP et dans un second temps une
nouvelle technique base sur la logique floue. Les performances du
redresseur MLI oprant avec facteur de puissanceunitaire et frquence
de commutation constante avec ces deux techniques intelligentes
seront vrifies par simulation numrique laide du logiciel
Matlab/Simulink.2. PRINCIPE DU REDRESSEUR MLI TRIPHASE DE
TENSION2.1. Schma de la Partie Puissance du Redresseur MLI Triphas
de TensionLe redresseur MLI est simplement un onduleur de tension
utilis lenvers permet de produire une tension continue partir dun
rseau alternatif (comme un redresseur diodes), mais en absorption
sinusodale de courant, donc facteur de puissance unitaire . Il est
construit base des composants semi-conducteurs bidirectionnels
(conduisant le courant dans les deux directions grce aux diodes en
antiparallles) et commands louverture et la fermeture, tels que les
IGBTs pour de petites puissances et moyennes puissances ou les GTOs
pour les grandes puissances. Il est associ gnralement deux tages
passifs lun du ct continu et lautre du ct alternatif. Ltage passif
du ct alternatif, a comme fonction principale le filtrage. Celui du
ct continu a une double fonction, le stockage dnergie et le
filtrage de la tension continue, cest des condensateurs qui
assurent ces fonctionnalits. La figure 1 montre le schma du
redresseur MLI triphas de tension sur lequel est base notre
tude.
Figure 1. Circuit de puissance du redresseur MLI triphas de
tension.Outre labsorption de courant sinusodal et le fonctionnement
avec un facteur de puissance proche de lunit, le redresseur MLI
peut aussi fonctionner dans deux types de mode : redressement et
rgnration (fourniture de la puissance active au rseau). Cet
avantage provient de sa capacit contrler lcoulement de puissance
active et ractive dans les deux directions sur un large spectre
harmonique. Pour cette raison, le redresseur MLI est prfr pour les
applications fonctionnant frquemment en mode de rgnration, telles
que les entranements lectriques surtout courant alternatif o le
redresseur fait partie du variateur de vitesse (convertisseur de
frquence). Il est aussi mis en oeuvre pour alimenter en tension
continue dautres types de charges. La seule contrainte du
redresseur MLI rside dans le nombre dinterrupteurs de puissance
utiliss (six interrupteurs avec diodes en antiparallles) et la
complexit des stratgies de commande. Cependant, lvolution
technologique rapide et la dcroissance progressive du cot dans le
domaine des systmes de commande (DSP et microcontrleurs) et des
composants semi-conducteurs de puissance sont des facteurs
favorables et incitatifs. En effet, une frquence de commutation
autour de 5 KHz permet au convertisseur dtre exploit avec une
puissance de quelques MW. De plus, une frquence dchantillonnage
suppose gale la frquence de commutation est suffisante pour
limplantation des stratgies de commande hautement performantes.2.2.
Note sur le Choix des Elments Passifs de FiltrageLa rversibilit en
courant de londuleur de tension autorise son fonctionnement en
redresseur MLI. La structure de ce dernier associ un filtre Ls
dentre, illustre sur la figure 1, est alors celle de londuleur de
tension o le ct continu constitu de deux condensateurs. Afin de
respecter les rgles dinterconnexion des sources, lentre est une
source de courant car ce convertisseur nest constitu que
dinterrupteurs semi-conducteurs. De plus, la prsence des
inductances de couplage est indispensable pour assurer le contrle
des courants absorbs par le redresseur. En effet, quelque soit la
technique utilise pour gnrer les ordres de commande (S1, S2 et S3),
le redresseur peut imposer, de manire indirecte, la forme du
courant dans ces inductances en contrlant les tensions va, vb, vc
mesures par rapport au neutre du rseau. En dautres termes, la
variation du courant prlev dfinie par dis/dt, en considrant la
rsistance srie interne "rs" ngligeable, est impose par la tension
applique aux bornes des inductances. Les inductances se comportent
aussi comme un filtre passe bas et limitent londulation du courant
la frquence de commutation. Lefficacit et les performances du pont
redresseur MLI dpendent de plusieurs paramtres, en loccurrence le
choix des lments passifs de filtrage qui lui sont associs, savoir
linductance de couplage Ls et le condensateur du bus continu Cdc.
Ces deux lments jouent un rle crucial, en rgime permanent et
transitoire, pour obtenir un bon amortissement des oscillations des
courants prlevs sur le rseau et une tension du bus continu avec une
ondulation rsiduelle limite.Inductances de couplage : les
inductances de couplage jouent le rle de filtre passe bas et
limitent londulation du courant la frquence de commutation. Pour
cette raison, le calcul de linductance fait intervenir les
paramtres classiques qui sont : la frquence de commutation,
londulation maximale admissible du courant la traversant et la
tension applique ses bornes.Condensateur de sortie : la valeur du
condensateur de sortie doit tre calcule de faon limiter les
variations de la tension du bus continu. Ces variations peuvent tre
dcomposes en trois catgories:- Ondulations hautes frquences : en
effet le condensateur doit absorber les harmoniques de courant dus
au fonctionnement en commutation du redresseur et ventuellement de
la charge.- Ondulations basses frquences : des dsquilibres au
niveau de la tension dentre provoquent une puissance dentre
fluctuante qui doit tre absorbe par le condensateur.Lamplitude de
ces ondulations de tension est donc fonction de la valeur du
dsquilibre et du condensateur.- Transitoires de la charge : au
cours dune variation brutale de la charge, pendant le temps de
rponse de la boucle externe de tension, cest le condensateur qui
doit fournir ou absorber transitoirement lnergie demande au prix
dune variation de la tension ses bornes. Ce dernier critre fait
intervenir la bande passante de la boucle de tension qui est au
maximum dune dizaine de Hz pour un rseau 50 Hz ; cest donc une
boucle relativement lente au regard des boucles de courant. Le
calcul du condensateur tabli selon ce critre savre donc
contraignant et satisfait indirectement les critres prcdents.2.3.
Systmes dEquations
A partir du schma de la figure 1, on peut dduire les quations du
systme :
(1)
Les tensions de sortie du convertisseur par rapport au point
milieu du ct continu peuvent tre calcules partir des fonctions de
connexion Yi de chacun des bras.
(2)
(3)
Dans le cas dun systme triphas quilibr avec neutre isol du point
milieu du ct continu, on dmontre que :
(4)
En remplaant (3) et (4) dans le systme dquations (1), on obtient
:
(5)
Ce systme dquations met en vidence le couplage qui existe entre
les trois phases, puisque lvolution du courant dune phase dpend de
ltat des interrupteurs des trois. Dans le systme dquations (1), on
voit que lvolution du courant dans une phase dpend de la tension
existante entre le point milieu du ct continu et le neutre du ct
alternatif vO, quidpend-elle mme de ltat des interrupteurs des
trois phases (quation (4)). Donc, partir de ces quations, on
constante limportance de la tension entre le neutre et le point
milieu du bus continu vO qui agit comme une perturbation pour le
contrle du courant (figure 2).
Figure 2. Circuit quivalent pour le contrle du courant absorb de
la phase a . La figure 2 montre la perturbation cause par la
tension vO. Lexistence dharmoniques dans cette tension vO provoque
lapparition dharmoniques dans les courants de ligne. Dailleurs, des
valeurs importantes de la tension vO peuvent provoquer la perte de
contrle du courant. Si vsa - vO Vdc/2, pour nimporte quelle valeur
de la fonction de connexion Y1, la drive du courant est toujours
positive, et croit sans quon puisse la contrler. Avant danalyser le
contrle propos du redresseur MLI, on introduit le concept de
vecteur tension (courant). Cette reprsentation vectorielle du
systme triphas permet dobtenir des informations sur son
comportement global . Les tensions lentre du convertisseur va, vb,
vc tant dfinies partir des fonctions de connexion Yi, on obtient
donc huit configurations possibles. Sur le tableau 1, on prsente
les huit configurations possibles avec les valeurs de la tension
correspondantes dans chaquephase (va, vb, vc), ainsi que le vecteur
tension correspondant chaque combinaison.Tableau 1. Valeurs des
vecteurs tensions.
Les tensions va, vb, vc peuvent prendre cinq valeurs diffrentes.
Dans le tableau 1, on peut remarquer aussi lexistence de deux tats
particuliers (V0 et V7), o les phases durseau sont court-circuites.
Le vecteur v(t), correspond aux diffrentes tensions instantanes
phase-neutre lentre du redresseur, peut tre exprim comme :
(6)Si on connait le vecteur tension, les tensions originales de
chaque phase correspondent la projection du vecteur tension sur la
phase correspondante. Sur la figure 3, on reprsente les vecteurs
tension possibles, o les vecteurs (V0 et V7) correspondent aux tats
de roue libre situs lorigine du plan complexe. Le procd pour
calculer le vecteur courant de ligne est identique celui suivi dans
le cas du vecteur tension.
Figure 3. Reprsentation vectorielle de la tension du
redresseur.3. CONTROLE CLASSIQUE DIRECT DU COURANT DE SOURCE
Avec ladoption de nouvelles normes limitant le taux de pollution
du rseau lectrique de distribution, les onduleurs MLI triphass de
tension sont devenus le moyen dinterfaage le mieux adapt pour le
raccordement des quipements lectroniques de forte puissance au
rseau lectrique. Ils reprsentent ainsi une solution simple et
fiable pour lcoulement bidirectionnel des puissances lectriques,
ncessaire dans certaines applications telles que les systmes de
levage, grues, centrifugeuses de grande inertie et de conversion
lectrique dans les oliennes. Les onduleurs de tension peuvent
constituer un tage de redressement grce leur capacit contrler les
courants absorbs et la tension du bus continu .Lavantage de
londuleur de tension par rapport celui de courant est indniable et
son utilisation dans de nombreuses applications se justifie
principalement par les deux avantages offerts par sa
configuration:La bidirectionnalit en courant de sa topologie grce
aux diodes de rcupration en antiparallles ; Le stockage dnergie
capacitif est plus ais et efficace. De plus, le cot et le poids des
condensateurs sont moindres.Lavantage principal du redresseur MLI,
par rapport aux autres convertisseurs absorption de courant
sinusodal, vient de sa capacit fonctionner en mode redressement et
en mode rgnration. En effet, si la charge connecte au bus continu
consomme de la puissance active, le convertisseur fonctionne en
mode redressement (il prlve au rseau de lapuissance active). Si
elle produit de la puissance active, le convertisseur fonctionne en
mode rgnration (il fournit de la puissance active au rseau). Lors
de ces deux modes de fonctionnement, la tension du bus continu est
contrlable en changeant une partie de la puissance transite pour
charger ou dcharger le condensateur.Notons que pour un
fonctionnement idal du redresseur, londuleur doit se comporter
comme une source de tension ct rseau et comme une source de courant
ct charge. Le respect de lquilibre des puissances ncessite le
contrle des puissances fondamentales active et ractive et de la
minimisation de celles dues aux harmoniques. De plus, la composante
continue de la tension du bus continu doit tre contrlable quelque
soit la nature de la charge connecte en sortie du redresseur,
linaire ou non-linaire, passive ou active.Le fait que la
configuration de londuleur de tension soit simple, impose lajout
dlments additionnels afin daccomplir les tches escomptes. Cest pour
cette raison que lattention des chercheurs dans ce domaine sest
concentre principalement sur trois aspects ayant trait au contrle
des courants du ct alternatif, de la tension du bus continu, en
associant le choix et le dimensionnement du filtre ct alternatif,
dont le but est de rpondre des exigences dun cahier des charges.
Parmi lesquelles nous pouvons citer, dynamique rapide, protection
contre les courts-circuits et les surcharges, stabilit, robustesse
vis--vis des variations paramtriques du systme et frquence de
commutation faible pour rduire les missions lectromagntiques mises
susceptibles dinfluencer dautres charges connectes au rseau.- Le
contrle du courant est recommand dans toutes les applications
centres autour dun onduleur de tension, parce quil assure dune part
une bonne protection et stabilit, dautre part une rponse rapide du
systme. De plus, il autorise le contrle de la forme donde du
courant durant une priode du rseau ; ce qui permet la compensation
des perturbations dues aux transitoires de la charge, aux non
linarits et aux retards de commutation. En effet, des stratgies de
commande sont appliques pour obtenir une modulation rapide de la
tension lentre/sortie du convertisseur tel que les techniques MLI.
Aussi, le contrle du courant est indispensable dans certaines
applications comme le redressement et le filtrage actif, o le
courant doit tre pilot instantanment pour imposer des puissances
active et ractive donnes, pour minimiser les courants harmoniques
et amliorer le facteur de puissance du systme.- Le contrle de la
tension du bus continu reste un thme cl, spcialement pour les
filtres actifs et les redresseur MLI o le bus continu gnralement
nest pas aliment par une source continue. En revanche, le contrle
de la tension du bus continu nest pas dissociable du contrle en
courant. La prsence simultane de ces deux boucles de commande ne
permet pas daboutir aux performances optimales de chacune prises
sparment surtout lors des rgimes transitoires.- Lusage dun filtre
dharmoniques ct alternatif ncessite une procdure de dimensionnement
propre et une analyse approfondie de la stabilit. Ce filtre peut
influer sur la capacit de poursuite du convertisseur et donc sur
lamlioration des performances du contrle de courant.Les techniques
de contrle de courant les plus utiliss sont le contrle par hystrsis
ou le contrle MLI. Ces techniques sont trs connues et ont t
amplement tudies dans le domaine de la conversion de lnergie
lectrique DC/AC. Dans ce paragraphe, on sintresse ltude analytique
du contrle de courant par hystrsis.3.1. Structure Globale du
Contrle par Hystrsis Classique
La structure globale du contrle par hystrsis classique des
courants prlevs sur le rseau par un pont redresseur MLI triphas est
reprsente sur la figure 4.
Figure 4. Schma de principe du contrle direct des courants
prlevs sur le rseau.Comme nous lavons dj signal prcdemment, les
deux principaux objectifs du redresseur MLI rsident dans le contrle
des deux cts : un facteur de puissance unitaire au ct source et une
tension parfaitement continue la sortie. La figure 4 schmatise ces
objectifs souhaits, en effet, on utilise une boucle de rgulation de
la tension de sortie Vdc viaun rgulateur PI, ce rgulateur gnre
lamplitude des trois courants de rfrence Ism et on met en service
le module PLL qui fournit les trois sinus unitaires partir des
trois tensions du rseau. En suite, la multiplication de lamplitude
Ism par les trois sinus unitaires dlivrs par le module PLL permet
dobtenir les trois courants de rfrence sinusodaux, et finalement
les rsultats de comparaison entre les courants de rfrence et ceux
de la source sont envoys aux comparateurs hystrsis. Lensemble des
trois sorties de ces comparateurs dtermine lesordres de commande
des interrupteurs constituant le pont. Donc, chaque courant de
source sera maintenu dans une bande dhystrsis autour dune rfrence
sinusodale et en phase avec la tension.3.2. Boucle de Rgulation de
la Tension du Bus Continu
Parmi les principaux objectifs du redresseur MLI est videmment
dobtenir une tension continue contrle. Le rle de la boucle de
rgulation de la tension du bus continu est de maintenir cette
tension une valeur de rfrence constante, en contrlant le processus
de chargement et de dchargement du condensateur. Les causes de sa
variation sont essentiellement les pertes dans les interrupteurs du
convertisseur (en conduction et en commutation), dans les
inductances de couplage et la variation de la charge connecte au
bus continu. La rgulation de cette tension seffectue par ajustement
de lamplitude des rfrences des courants prlevs pour contrler le
transit de puissance active entre le rseau et le bus continu. A cet
effet, elle est destine compenser toutes les perturbations
provenant du ct convertisseur et du ct charge, provoquant une
variation de lnergie stocke dans le condensateur.En outre, rguler
Vdc revient rgler la puissance fournie la charge. Si lon veut un
rglage linaire, il faut rguler le carr de la tension continu,
puisque la puissance moyenne du ct continu est donne par :
(7)La commande en courant impose la puissance moyenne transmise
la charge dfiniepar la relation : (8)En ngligeant les pertes
actives dans le convertisseur et dans les inductances de couplage,
lapplication du principe de conservation de la puissance donne la
relation entre la puissance active dbite par le rseau et celle reue
en sortie du pont. Elle scrit sous la forme :
(9)
A partir de (9), on dduit la fonction de transfert du premier
ordre :
(10)
La fonction de transfert prcdente se transforme sous la forme
suivante :
(11)La fonction de transfert du rgulateur PI est donne par :
Le synoptique de la boucle de rgulation du carr de la tension du
bus continu est alors reprsent sur la figure 5.Figure 5. Schma bloc
de la boucle de rgulation du carre de la tension du bus continu.La
fonction de transfert du systme tant identifie celle d'un premier
ordre. Les paramtres du correcteur PI sont dtermins par la mthode
de compensation du ple dominant avec une frquence de coupure en
boucle ferme f0 de 10 Hz.Deux relations lmentaires permettent la
connaissance des paramtres de correction, soit le gain
proportionnel kp et la constante de temps d'intgration Ti :
(13)
3.3. Contrle par Hystrsis Classique
Comme nous lavons montr prcdemment, la tension simple dune phase
lentre du pont ne dpend pas uniquement de ltat des deux
interrupteurs du bras correspondant, mais elle est aussi en
fonction de ltat des interrupteurs des deux autres bras. A cet
effet, le courant dans une phase nest donc pas indpendant des deux
autres courants, mais la structure impose qu chaque instant la
somme des trois courants soit nulle.La partie la plus importante et
la plus dlicate dans le contrle du systme global est le contrle des
courants. Dans ce cas, ce contrle devient difficile car le neutre
est isol du pont milieu du bus continu. Dans ce paragraphe, on fait
analyser le principe du contrle de courant par hystrsis classique
bande fixe (Fixed-Band Hysteresis Current Control). Lors de cette
analyse, nous prsentons le problme principal qui rside dans les
interactions entre les phases, influant ngativement sur la frquence
de commutation, subsquemment sur la qualit du courant prlev au
rseau. Pour remdier ce problme, on met en vidence un dcouplage au
niveau de lerreur de courant lors de la comparaison en vue de
fournir les ordres de commande du redresseur MLI. A la fin de ce
paragraphe, on prsente les rsultats de simulation obtenus, en
mettant en vidence les amliorations apportes par les modifications
proposes dans ce travail.3.3.1. Analyse Mathmatique
Si on considre trois courants de rfrence sinusodaux fictifs
isa*, isb*,isc* fournis par le rseau, ces courants engendrent trois
tensions de rfrence donnes par :
(14)
Si on soustrait (1) de (14) et on nglige leffet de la rsistance
rs, on obtient le systme dquations :
(15)
Avec, a, b, c sont les erreurs des courants des trois phases de
la source. Pour viter les interactions entre les phases, lerreur de
courant pour chaque phase doit tre dcouple en deux parties.
(16)
Donc, le systme dquation (15) peut tre spar en deux sections :Le
systme dquations de lerreur de courant dcouple :
(17)
Un seul terme peut assurer le dcouplage entre les trois phases,
il scrit sous la formule suivante : (18)Sur la figure 6, on
reprsente pour la phase a lvolution de lerreur de courant dcouple
lintrieure de la bande dhystrsis et la tension du bras du
redresseur MLI. Cette erreur volue linairement, sa croissance et sa
dcroissance dpendent du signe de la diffrence va-va*.
Figure 6. Erreur de courant dcouple et la tension du bras du
redresseur MLI.
A partir du systme dquations (17) et de la figure 6, on peut
dduire lexpression de la priode de commutation correspondante la
phase a qui prsente une variation lors du fonctionnement.
(19)
De (19), on dduit la ncessit davoir tout moment va* < Vdc/2
pour pouvoir contrler le signe de la pente de lerreur de courant
dcouple et de cette faon, arriver la maintenir dans la bande
dhystrsis.3.3.2. Rsultats de SimulationSur le tableau 2, on indique
les paramtres du systme simul.Tableau 2. Paramtres du systme
simul
a) Fonctionnement sans Tenir Compte de Dcouplage de lErreur de
CourantA partir des rsultats prsents sur la figure 7, on constate
que le redresseur MLI triphas prlve au rseau un courant quasi
sinusodal (figure 7.a). Le THD du courant prlev est important :
5.6% pour un rang 40 et 10.79 pour un rang 120 (figure 7.b).
Limportance de la distorsion harmonique en courant vient des
interactions entre les phases cause de couplage cre par la tension
entre le neutre et le point milieu du bus continu vO qui agit comme
une perturbation pour le contrle du courant. Ceci est bien montr
partir de lallure de lerreur de courant qui sort de la bande
dhystrsis choisie (figure 7.c), de lallure du vecteur courant qui
dpasse lhexagone impos par lhystrsis (figure 7.d) et de lallure de
la frquence de commutation qui prsente une variation alatoire
(figure 7.e).
Figure 7. Rsultats de simulation du systme en rgime permanent
sans dcouplage de lerreur de courant: (a). Courant de source isa,
(b). Spectre harmonique associ isa.(c). Erreur de courant a, (d).
Vecteur courant, (e). Frquence de commutation fc.b) Fonctionnement
en Tenant Compte de Dcouplage de lErreur de CourantLa figure 8
montre les rsultats obtenus dans le cas du contrle de courant
classique en tenant compte de dcouplage de lerreur de courant. On
constate que le courant prlev au rseau est sinusodal (figure 8.a),
son THD est de 3.08% pour un rang 40 et 8.22% pour un rang 120
(figure 8.b), valeur infrieure celle obtenue avec le contrle sans
dcouplage de lerreur de courant. La diminution de la dformation en
courant vient de llimination de la perturbation provoque par la
tension vO pour le contrle du courant. Comme on peut lobserver
aussi, le dcouplage de lerreur de courant permet lallure de lerreur
de courant dcouple de rester lintrieur de la bande dhystrsis
choisie (figure 8.e) et lallure du vecteur courant de ne pas sortir
de lhexagone (figure 7.f), ce qui montre que la variation de la
frquence de commutation concide avec son expression thorique, la
limite maximale de celle-ci est de 5 KHz et la limite minimale est
de presque 2 KHz (figure 8.g).
Figure 8. Rsultats de simulation du systme en rgime permanent
avec dcouplage de lerreur de courant : (a). Courant de source isa,
(b). Spectre harmonique associ isa. (c). Erreur de courant a, (d).
Erreur de dcouplage , (e). Erreur de courant decouple a1, (f).
Vecteur courant, (g). Frquence de commutation fc.3.4.
FONCTIONNEMENT A FREQUENCE DE COMMUTATION FIXEUne fois obtenu un
fonctionnement semblable celui du redresseur avec neutre reli,on
peut introduire une modification la bande dhystrsis pour commuter
frquence fixe.Daprs lexpression (19), on peut calculer la valeur de
la bande dhystrsis toutinstant pour commuter frquence fixe .
(20)
Cette mthode offre les meilleures prestations, puisquelle possde
la rapidit du contrle par hystrsis et ajoute une limitation des
variations sur la frquence de commutation ainsi quune plus grande
prcision. Linconvnient principal quelle possde est la ncessit de
disposer dune bonne connaissance des paramtres du systme (notamment
linductance de ligne) pour son fonctionnement correct.Pour
travailler frquence fixe tout en conservant les aspects de la
robustesse, la prcision et la rapidit, nous introduisons une
nouvelle philosophie de contrle base sur deux techniques avances
diffrentes. Du fait de sa grande importance, la premire technique
exploite est la technique Dead-Beat hystrsis dj dveloppe dans le
chapitre prcdent qui a montr des performances suprieures pour le
systme de filtrage actif. La seconde permet de modifier la bande
dhystrsis de faon intelligente laide dun systme logique flou. Ces
deux techniques prsentent une solution trs intressante pour le
redresseur MLI.Llaboration de ces nouvelles techniques constitue
lobjet de ce paragraphe.3.4.1. Fonctionnement Frquence Fixe lAide
de la Technique Dead-BeatNous rappelons que le principe de ce genre
de contrle est bien dtaill dans le paragraphe 4.2 du chapitre 2
pour le filtre actif parallle. Vue de sa grande efficacit de rguler
la frquence de commutation et de la position des impulsions de
commande, nous avons jug intressant de lappliquer au redresseur MLI
triphas.A cet effet, nous prsentons directement les rsultats
obtenus par ce contrle lors des tests en fonctionnement normal et
en fonctionnement perturb. La frquence de commutation choisie est
de 5 KHz; cela correspondant la frquence maximale dans le cas de la
commande par hystrsis bande fixe.4.1.1. Fonctionnement en Rgime
Permanent (Normal)En fonctionnement normal (rgime permanent).
Lanalyse des rsultats obtenus par la commande Dead-Beat hystrsis
prsents sur la figure 9 nous montre que cette commande offre au
redresseur MLI une bonne efficacit de fonctionnement. Cette
commande permet de rduire les ondulations du courant de source
(figure 9.a), le THD obtenu de celuiciest trs faible (0.22% pour un
rang 40 et 3.82% pour un rang 120) et les harmoniques restants sont
runies autour de la frquence choisie (figure 9.b), ce qui facilite
beaucoup le filtrage. Comme on peut lobserver, lerreur de courant
obtenue aprs lopration de dcouplage (figure 9.e) oscille dans une
enveloppe variable et contrle chaque instant. Le bon contrle de
cette dernire permet au vecteur courant de rester lintrieur de
lhexagone (figure 9.f) et de fixer la frquence de commutation la
valeur choisie 5 KHz (figure 9.g) avec une bonne synchronisation
des impulsions, dont lerreur de phase varie autour de zro (figure
9.h).
Figure 9. Rsultats de simulation du systme avec le contrle
Dead-Beat hystrsis en rgime permanent: (a). Courant de source isa,
(b). spectre harmonique associ isa. (c). Erreur de courant a, (d).
Erreur de dcouplage , (e). Erreur de courant decouple a1,
(f).Vecteur courant, (g). Frquence de commutation fc, (h). Erreur
de phase a.3.4.1.2. Fonctionnement Perturba) Comportement du
Redresseur MLI Lors dune Perturbation au Ct SourceOn suppose dans
ce test la prsence de lharmonique dordre 5 dans les tensions de
lasource dalimentation avec une amplitude de 10% du terme
fondamental.
Figure 10. Rsultats de simulation du systme avec le contrle
Dead-Beat hystrsis lors dune perturbation au ct source : (a).
Tensions de source vsa, vsb , vsc, (b). Courants de source isa, isb
, isc. (c). Tension et courant dune phase vsa et isa (multipli par
un gain=10).Daprs les rsultats de ce test (figure 10), on remarque
que malgr la distorsion des tensions de la source dalimentation,
les courants de celle-ci restent sinusodaux. Ceci est d la prsence
du module PLL qui compense les perturbations de la source et dlivre
trois signaux sinusodaux unitaires.b) Comportement du Redresseur
MLI Lors de la Variation de la Consigne du Bus ContinuLes rsultats
prsents sur la figure 11 sont obtenus lors du premier test, dont la
rfrence de la tension du bus continu est augmente de 300 340 V puis
diminue de 340 300 V. Tandis que ceux prsents sur la figure 12 sont
obtenus lors du second test, o la rfrence de la tension du bus
continu est diminue de 300 260 V puis augmente de 260 300 V. On
constate que la technique Dead-Beat hystrsis offre un contrle
persistant lors des perturbations de la tension du bus continu et
le temps de rponse du systme face ces transitoires est de 0.05 s
(2.5 Cycles).
Figure 11. Rsultats de simulation du systme avec le contrle
Dead-Beat hystrsis lors dune augmentation de Vdc* de 300 340 V et
puis dune diminution de 340 300 V : (a). Courants de source isa,
isb et isc. (b). Tension du bus continu Vdc, (c). Amplitude des
courants de rfrence Ism.
c)
Figure 12. Rsultats de simulation du systme avec le contrle
Dead-Beat hystrsis lorsdune diminution de Vdc* de 300 260 V et puis
dune augmentation de 260 300 V :(a). Courants de source isa, isb et
isc, (b). Tension du bus continu Vdc, (c). Amplitude des courants
de rfrence Ism.Comportement du Redresseur MLI Lors de la Variation
de la ChargeLa figure 13 montre les rsultats obtenus lors dun rgime
transitoire de la variation de la charge. Dans ce test, Nous avons
provoqu une diminution de la rsistance connecte au bus continu de
33.3% puis une augmentation de 50% pour une rfrence constante
Vdc*=300 V. On constate que le contrle Dead-Beat hystrsis prsente
une bonne stabilit face des variations de la charge. La tension du
bus continu prsente un dpassement sa consigne de 10 V pendant
laugmentation de la charge et une diminution de 10 V pendant la
diminution de la charge et le temps de rponse du systme face ce
genre des transitoires est important (0.14 s (7 Cycles)).
Cas : Diminution de la charge. Cas : Augmentation de la
charge.Figure 13. Rsultats de simulation du systme avec le contrle
Dead-Beat hystrsis lors de la variation de la charge: (a). Courants
de source isa, isb et isc, (b). Tension du bus continu Vdc, (c).
Amplitude des courants de rfrence Ism.4.2. Fonctionnement Frquence
Fixe lAide de la Technique Floue4.2.1. Principe de la Technique
ProposeDans ce paragraphe, la mthodologie de rglage propose pour
fixer la frquence de commutation repose sur lutilisation dune
technique de logique floue, dont la loi de commande par hystrsis
conventionnelle est remplace par une srie des rgles linguistiques
de type si (condition) alors (action). En ngligeant la rsistance rs
et en remplaant va* par sa valeur (systme dquations (14)) dans
lquation (20), on obtient : (21)Daprs lquation (21), on peut
remarquer que pour ajuster la frquence de commutation fc la valeur
dsire fd, il est ncessaire de rguler la bande dhystrsis a suivant
les variations des diffrentes grandeurs constituant lquation (21).
Pour avoir de bonnes performances, la bande dhystrsis est contrle
en utilisant un rgulateur flou, o la tension du rseau vsa et la
drive (la pente) du courant de rfrence disa*/dt sont des variables
dentre et la bande dhystrsis a est une variable de sortie.On
reprsente sur la figure 14, la structure du rgulateur flou utilis
pour le calcul de la bande dhystrsis de la phase a . Le bon
fonctionnement de ce rgulateur ncessite le bon choix des diffrents
gains utiliss dans sa structure.On utilise des gains de
normalisation (G1 pour la tension du rseau vsa et G2 pour la drive
du courant de rfrence disa*/dt). Si on considre que le systme
triphas est quilibr, ces gains sont obtenus laide de dtecteurs de
crtes de ces variables dentre et peuvent tres ajusts
automatiquement sil y a des perturbations. Le gain dajustement G
utilis la sortie du rgulateur flou est ajust la valeur de la bande
maximale amax=Vdc/4.Ls.fd. Son rle principal est de dfinir la plage
de variation de la bande dhystrsis. Il est noter quune action
proportionnelle relativement faible "GP" est additionne la sortie
du rgulateur flou.Laddition de cette action proportionnelle permet
de mettre une bande minimale diffrente de zro pour viter
laugmentation considrable de la frquence de commutation.
Figure 14. Structure de la technique de commande floue hystrsis
de la phase a .Les caractristiques principales du rgulateur flou
dvelopp sont les suivantes : Cinq ensembles flous pour chaque entre
et chaque sortie ; Les fonctions dappartenance sont de forme
triangulaire pour la simplicit (fig 15) ; La fuzzification avec un
univers de discours continu ; Limplication utilise linfrence
min-max de E. Mamdani ; La dfuzzification par centre de gravit.-
Les cinq ensembles flous des variables dentre vsa(n), disa*(n)/dt
sont : NG (Ngative grande), NM (Ngative moyenne), EZ (Nulle), PM
(Positive moyenne) et PG (Positive grande).- Les cinq ensembles
flous de la variable de sortie a(n) sont : PTP (Positive trs
petite), PT (Positive petite), PM (Positive moyenne), PG (Positive
grande) et PTG (Positive trs grande).La figure 15 montre les
fonctions dappartenance utilises dans la fuzzification pources
variables.
(a). Tension de source vsa(n). (b). Drive du courant de rfrence
disa*(n)/dt.
(c). Bande dhytrsis a(n).Figure 15. Rpartition des fonctions
dappartenance : (a) et (b) Variables dentre,(c). Variable de
sortie.
Le tableau ci-dessous donne lensemble des rgles floues utilises
dans la conception de ce rgulateur. Il permet dagir trs localement
sur la surface de commande et donc une variation de lun de ses
paramtres naura quune rpercussion locale sur la rponse globale.Le
nombre de paramtres rgler ici est 20 paramtres. On a aussi 5
paramtres inexistants; ils sont indiqus par (*), car il y a un
dphasage de presque 90 entre les variables dentre du rgulateur
flou.Tableau 3. Rgles floues.
4.2.2. Rsultats de SimulationPour une frquence de commutation 5
KHz, nous prsentons respectivement sur la figure 16 et la figure 17
les rsultats obtenus en rgime permanent et en rgime transitoire
lors de la variation de la charge.a) Fonctionnement en Rgime
Permanent
Figure 16. Rsultats de simulation du systme avec le contrle flou
hystrsis en rgimepermanent: (a). Courant de source isa, (b).
Spectre harmonique associ isa. (c). Erreur de courant a, (d).
Erreur de dcouplage , (e). Erreur de courant dcouple a1,
(f).Vecteur courant, (g). Frquence de commutation fc.
La bonne efficacit de fonctionnement du redresseur MLI command
par la technique floue hystrsis propose dans ce travail est
justifie par les rsultats de simulation prsents sur la figure 16.
Les amliorations prsentes par la technique floue hystrsis sont
semblables celles prsentes par la technique Dead-Beat hystrsis,
dont on peut observerque la frquence de commutation est bien ajuste
sa valeur dsire 5 KHz et le courant de source prsente une meilleure
qualit, son THD est trs faible (0.57% pour un rang 40 et 5.78% pour
un rang 120).b) Fonctionnement en Rgime Transitoire Lors dune
Variation de la Charge
Figure 17. Rsultats de simulation du systme avec le contrle flou
hystrsis lors de la variation de la charge: (a). Courants de source
isa, isb, isc, (b). Tension du bus continu Vdc, (c). Amplitude des
courants de rfrence Ism, (d). Frquence de commutation fc.
Les rsultats prsents sur la figure 17 sont obtenus pour un test
de variation de la charge, o la rsistance de la charge connecte au
bus continu subit une augmentation de 50% linstant 0.2 s, puis une
diminution de 50% linstant 0.4 s pour une rfrence constanteVdc*=300
V. On constate que le contrle flou hystrsis possde un comportement
stable lors de la variation de la charge et la tension du bus
continu prsente une variation sa consigne de 10 V avec un temps de
rgime transitoire important 0.14 s (7 Cycles).5. CONCLUSIONDans
cette partie, nous avons prsent, en un premier temps, le principe
de fonctionnement du redresseur MLI triphas avec son contrle direct
en courant par hystrsis.Nous avons mis en vidence l'importance de
la structure neutre isol et nous avons ralis un dcouplage au niveau
de lerreur de courant afin de compenser les interactions entre les
phases.Ensuite, nous avons examin le fonctionnement du redresseur
MLI command par la technique Dead-Beat hystrsis, o des rsultats de
simulation ont t prsents pour diffrents rgimes justifiant le bon
fonctionnement avec frquence de commutation stable.A la fin de
cette partie, nous avons propos une nouvelle technique intgre dans
lesprit de lintelligence artificielle, dont la bande dhystrsis est
adapte en utilisant des rgles floues. Les rsultats de simulation
obtenus ont montr que la technique floue hystrsis assure un
fonctionnement frquence de modulation stable lors de rgime
permanent ou dynamique de la charge. Le seul inconvnient est que
cette technique ncessite une bonne estimation du gain de sortie de
la bande dhystrsis qui dlimite la bande maximale lors de variation
de la consigne du bus continu. Lajout de la tension du bus continu
du redresseur MLI comme troisime variable dentre du rgulateur flou
peut amliorer les performances de cette technique. Cependant, ceci
peut compliquer le rgulateur flou. | Page