Post on 19-Mar-2020
Variation à base d’onduleur
M. Khafallah/EEP210/MAS 2
p
fN s
s
L’action sur la fréquence, modifie la vitesse de synchronisme ainsi que le point defonctionnement.
Loi de commande V/f :
Tr
P1P2P3
Ns1
f1
Ns2
f2<f1
Ns3
f3<f2Tem
Ns
Pour une bonne maîtrise d’un processusd’entraînement, on cherche à conserver uncouple moteur maximal constant. Auvoisinage de la vitesse du synchronismel’expression du couple maximal Tmax s’écrit :
f
Vs est représentatif du flux magnétisant
2
s
2
s
2
2max
f
VK
f
V
L8
p3T
2s
2
s
max
L
1V
2
3T
p
f2s
avec :
f varie et on veut maintenir Tmax , il faut que Vs varie pour que : Cste
f
Vs
Fonctionnement à flux constant
Moteurs asynchrones en fréquence et tension variables
Variateur à base d’onduleur
M. Khafallah/EEP210/MAS 3
On distingue plusieurs types de convertisseurs de fréquence dont le schéma synoptique resteidentique au schéma suivant :
MAS
Redresseur Filtrage Onduleur
Réseau
f = cste f = var
Schéma synoptique d’un convertisseur de fréquence
La fonction assurée par l’étage redresseur est de convertir de l’énergie alternative en énergie continue.
Convertisseurs de fréquence :
Moteurs asynchrones en fréquence et tension variables
Variateur à base d’onduleur
Le rôle du filtre est : soit de créer une source de tension continue (condensateur). soit de créer une source de courant continue (self).
L’onduleur permet de convertir l’énergie continue en énergie alternative à tension et fréquence variables sous forme d’un réseau triphasé.
M. Khafallah/EEP210/MAS 4
Suivant le type d’alimentation, on distingue deux grandes catégories de convertisseurs defréquence :
1- Alimentation en tension :
Moteurs asynchrones en fréquence et tension variables
Variateur à base d’onduleur
Convertisseurs de fréquence :
a- Redresseur commandé + onduleur 180°
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Moteurs asynchrones en fréquence et tension variables
Variateur à base d’onduleur
1- Alimentation en tension :
Convertisseurs de fréquence :
b- Redresseur à diodes + hacheur + onduleur 180°
c- Redresseur à diodes + Onduleur à MLI
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2- Alimentation en courant :
On parle de commutateurs de courant ou onduleurs de courant où l’étage « redresseur-filtre » constitue une source de courant continu pour l’onduleur.
Moteurs asynchrones en fréquence et tension variables
Variateur à base d’onduleurConvertisseurs de fréquence :
MAS
Commande 120°
fa VCircuit d’amorçage
Le commutateur de courant de type auto-séquentiel est le plus souvent utilisé à cause desa robustesse.
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Constitué principalement de six interrupteurs de puissance
Onduleurs triphasés
E/2
VCN
Charge triphasé
eee
i3 i2
i1
C B
A
+
VD1
E
-
iE
iD5
D5 T5
iT5
iD4
D4 T4
iT4
iD1
D1 T1
iT1
iD6
T6
iT6
iD3
D3 T3
iT3
iD2
D2 T2
iT2
E/2
O
D6 N
VAO VBO
VCO
Onduleur triphasé de tension
Moteurs asynchrones en fréquence et tension variables
Variateur à base d’onduleur
T3 T5
T2T6 T6T4
T1
0° 120° 180° 240° 300° 360°
Commande 120° :
Dans une commande à 120° chaque transistor est commandé pendant 120°.
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Onduleurs triphasés
Moteurs asynchrones en fréquence et tension variables
Variateur à base d’onduleur
- E
0
0
0
0
0
iA
UAB
VCO
VBO
VAO
T5 T3 T1
t
t
t
t
t
E/2
-E/2
E/2
-E/2
E/2
-E/2
E
E/2R
- E/2R
T1
E/2
-E/2
T4 T2 T6 T2 T6
Formes d’ondes : Commande 120°cas d’une charge résistive
Commande 120° :
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T/2
-E
0
0
0
0
0
UCA
UAB
VCO
T5T2
T3T6T3T6
T
t
t
t
t
t
E/2
-E/2
E/2
-E/2T
T/2
E/2
-E/2
E
T
E
-E
T/2 T
T5 T2
T/2
T1T4 T1
VAO
VBO
Formes d’onde : commande 180°cas d’une charge résistive
Onduleurs triphasés
Moteurs asynchrones en fréquence et tension variablesVariateur à base d’onduleur
Commande 180° :
Chaque transistor est commandépendant 180°.
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Le courant de charge est une onde quasi carrée, chaque thyristor conduit durant 120°.
T/2
0
0
0
ic
ib
ia
T6T4T2T6
T5T3T1
T
t
t
t
T
T/2 T
T1
T2
T/2
Onduleurs triphasés de courant
Moteurs asynchrones en fréquence et tension variablesVariateur à base d’onduleur
Pour un onduleur de courant ou commutateur de courant, la source continue impose uncourant constant.
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Onduleurs à MLI :
Moteurs asynchrones en fréquence et tension variablesVariateur à base d’onduleur
La MLI ou PWM consiste à introduire des commutations supplémentaires àfréquence plus élevée que celle du fondamental, transformant la tension en unesuite de créneaux d’amplitude et de largeur variables.
Onduleur MAS
Commande MLI
TB
S
T
R
T4 Machine
Asynchrone
N
T1 T5
T2
C
E
Redresseur Filtrage Freinage Onduleur de tension (VSI)
RB
B
T3
T6
A
Schéma bloc d’un onduleur à MLI
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Vp Vm
Principe de la MLI :
Onduleurs à MLI :
Moteurs asynchrones en fréquence et tension variablesVariateur à base d’onduleur
La commande à MLI présente une neutralisation efficace des harmoniquespermettant ainsi de se rapprocher du signal sinusoïdal désiré.
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MLI sinusoïdale
1- MLI sinusoïdale naturelle
E/2
-E/2
1
t
t
Porteuse triangulaire Référence sinusoïdale
Te
t1 t2
2
T)]tsin()t[sin(V
E2
T)k( e
21me
Onduleurs à MLI :
Moteurs asynchrones en fréquence et tension variablesVariateur à base d’onduleur
Avantage :
Souplesse d’implantation
Inconvénients :
Maîtrise incomplète des harmoniques Implantation inadaptée en temps réel
Différentes techniques de modulation de largeur d’impulsion ont été développées aucours de ces dernières années. Deux variantes de commande ont eu beaucoupd’intérêt :
La modulation sinusoïdale (SPWM)
La modulation vectorielle (SVPWM)
Techniques de commande à MLI
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2- MLI Sinusoïdale régulière
E/2
-E/2
1
t
t
Porteuse triangulaire Référence échantillonnée Référence sinusoïdale
Te
a- MLI Sinusoïdale régulière symétrique
e
ref T]E
)k,i(V
2
1[)k,i(
Onduleurs à MLI :
Moteurs asynchrones en fréquence et tension variablesVariateur à base d’onduleur
E/2
-E/2
1
t
t
Porteuse triangulaire Référence échantillonnée Référence sinusoïdale
Te
b- MLI Sinusoïdale régulière asymétrique
2
T]T)5.0ksin(kT[sinV
E2
T)k,i( e
tem
e
* Maîtrise des instants de commutation
* Facilement réalisable en temps réel
par microprocesseur
Avantages :
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MLI vectorielle
Onduleurs à MLI :
Moteurs asynchrones en fréquence et tension variablesVariateur à base d’onduleur
Concept de vecteur d’espace
Dans l’étude des machines à courant alternatif, le concept de vecteur d’espace est très utileet est souvent utilisé. En effet, pour une machine asynchrone, il est judicieux dereprésenter les grandeurs triphasées (tensions, courants, flux, …) xa, xb et xc, dans un plancomplexe (a,), par un vecteur d’espace x(t) d’amplitude x et de position angulaire ,défini par :
)3
4tcos(Xx
)3
2tcos(Xx
)tcos(Xx
mc
mb
ma
Xm est l’amplitude de la composante fondamentale. Les composantes xa et x se calculent à l’aide de la transformation orthogonale de Concordia.
a
c
b
a
x
x
x
x
x
2
3
2
30
2
1
2
11
3
2
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Concept de vecteur d’espace
b
a
)t(x
T
b ,x, 003
2
a
T
cx,,003
2
T
a ,,x 003
2
xb
xa xc a xa
x
)t(x
c
a jxx)x.ax.ax()t(x c
2
ba32
3
2j
ea
MLI vectorielle
Onduleurs à MLI :
Moteurs asynchrones en fréquence et tension variablesVariateur à base d’onduleur
MASN
A
BC
T1
T2
T3
T4
T5
T6
E/2
-E/2
))tcos(VV mAN
)3
2tcos(VV mBN
)3
4tcos(VV mCN
a ssCN
2
BNANs jVV)VaV a(V3
2V
Vecteurs d’espace d’un onduleur triphasé de tension
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Ainsi, chaque état de commutationde l’onduleur est caractérisé par lesymbole [SA, SB, SC] dont les valeurssont "1" ou "0" suivant la connexiondes bornes SA, SB et SC de l'onduleurà la borne positive et à la bornenégative de la source de tensioncontinue (figure), ce qui détermineparfaitement les tensions de sortiede l’onduleur triphasé.
2
E
2
E
SA SB SC N
VAN
VCN
VBN
MAS 0
Onduleurs à MLI :
Moteurs asynchrones en fréquence et tension variablesVariateur à base d’onduleur
MLI vectorielle
M. Khafallah/EEP210/MAS 18
Une analyse combinatoire de tous les états possibles des interrupteurs et uneapplication de la transformation triphasée/biphasée suivante :
permet de calculer les tensions Vsα et Vs correspondant :
Onduleurs à MLI :
Moteurs asynchrones en fréquence et tension variablesVariateur à base d’onduleur
MLI vectorielle
M. Khafallah/EEP210/MAS 19
sont 2 vecteurs nuls0V
7V
et
Représentation du polygone de commutation
]101[ V6
]001[ V5
I
II
III
IV
V
a
VI
]100[V1
]110[ V2
]010[ V3
]011[ V4
c
b
a ]000[ V0
]111[ V7
sV
Ces huit états possibles du vecteur d’espace définissent les limites de 6 secteurs dans leplan complexe (α,). Six de ces huit configurations génèrent une tension de sortie nonnulle et sont connus comme vecteurs de commutation non nuls V1, V2, V3, V4, V5, V6 et lesdeux autres configurations génèrent une tension de sortie nulle et sont connus commevecteurs de commutation nuls V0 et V7.
Onduleurs à MLI :
Moteurs asynchrones en fréquence et tension variablesVariateur à base d’onduleur
MLI vectorielle
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Reconstituer la tension de référence Vs , pendant une période d'échantillonnage Te parcombinaison des vecteurs tensions adjacents et des vecteur nuls pendant les intervalles detemps T1, T2 et T0.
Afin d'aboutir à des séquences optimales au niveau énergétique, conduisant auminimum d’harmoniques avec le minimum de commutations, la sélection d'ordre decommutation doit se faire avec inversion d’ordre des états sur une période d'échantillonnageTe. Dans ce cas, le passage d’un état du convertisseur au suivant se fait en commutantseulement un seul bras
Les huit vecteurs de tension, définis auparavant, correspondent à la tension statoriquequ’on pourrait avoir si les interrupteurs de l’onduleur restaient dans un état correspondantà un vecteur donné. Pour avoir une tension statorique quelconque, La MLI vectorielleconsiste à:
MLI vectorielleOnduleurs à MLI :
Moteurs asynchrones en fréquence et tension variablesVariateur à base d’onduleur
Technique de Modulation Vectorielle :
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Technique de Modulation Vectorielle :
Par conséquent, la tension de référence Vs est reconstituée en faisant une moyenne
temporelle des tensions 0721 V te V,V, V
Après, il suffit de déterminer la position du vecteur de référence Vs et le secteur danslequel il se trouve.
La symétrie du système triphasé, permet de réduire l'analyse au cas général d'unsecteur de 60 degrés. On se place alors dans le cas où le vecteur de référence ou deposition est situé dans le secteur I.
U
1
e
1 VT
T 1V
sV2V
7V
2
e
2 VT
T
I
0V
Principe de construction du vecteur (secteur I)sV
MLI vectorielleOnduleurs à MLI :
Moteurs asynchrones en fréquence et tension variablesVariateur à base d’onduleur
M. Khafallah/EEP210/MAS 22
Pour une fréquence de commutation suffisamment élevée le vecteur d’espace deréférence Vs est considéré constant pendant un cycle de commutation. Tenant compteque V1 et V2 sont constants et V0 et V7 , on trouve :
2211se VTVTVT
La résolution de cette équation, après décomposition sur les deux axes du plancomplexe (α,) donne :
)3
sin(VE
2T s1
)sin(VE
2T s2
)TTT(2
1T 21e0
30
Avec :
MLI vectorielleOnduleurs à MLI :
Moteurs asynchrones en fréquence et tension variablesVariateur à base d’onduleur
Technique de Modulation Vectorielle :
M. Khafallah/EEP210/MAS 23
SA
SB
1
0
1
0
1
0
SC
0V
1V
2V
7V
2V
1V
0V
7V
T0/2 T0/2 T0/2 T0/2 T1/2 T1/2
Te
T2/2 T2/2
SA
SB
1
0
1
0
1
0
SC
0V
3V
2V
7V
2V
3V
0V
7V
T0/2 T0/2 T0/2 T0/2 T3/2 T2/2
Te
T2/2 T3/2
SA
SB
1
0
1
0
1
0
SC
0V
3V
4V
7V
4V
3V
0V
7V
T0/2 T0/2 T0/2 T0/2 T3/2 T4/2
Te
T4/2 T3/2
SA
SB
1
0
1
0
1
0
SC
0V
5V
4V
7V
4V
5V
0V
7V
T0/2 T0/2 T0/2 T0/2 T5/2 T4/2
Te
T4/2 T5/2
SA
SB
1
0
1
0
1
0
SC
0V
5V
6V
7V
6V
5V
0V
7V
T0/2 T0/2 T0/2 T0/2 T5/2 T6/2
Te
T6/2 T5/2
SA
SB
1
0
1
0
1
0
SC
0V
1V
6V
7V
6V
1V
0V
7V
T0/2 T0/2 T0/2 T0/2 T1/2 T6/2
Te
T6/2 T1/2
Secteur 1 Secteur 2 Secteur 3
Secteur 4 Secteur 5 Secteur 6
MLI vectorielleOnduleurs à MLI :
Moteurs asynchrones en fréquence et tension variablesVariateur à base d’onduleur
Ces dernières équations peuvent être facilement étendues si le vecteur de référence estplacé dans les secteurs II,…,VI. Ceci résulte dans les ordres de commutations définis.
M. Khafallah/EEP210/MAS 24
Etude comparative : indice de modulation
2E
V
V
Vm max
porteuse
ulantemod
15.1)SVPWM(m
1)SPWM(m
2
EV*
2
3V maxmax s
3
EVmax
c2
E
2
3OS ;
2
EOM
Modulation sinusoïdale
b
a a0S N
Modulation vectorielle
M
2V
1V
(SPWM)max sV
(SVPWM)max sV
MLI vectorielleOnduleurs à MLI :
Moteurs asynchrones en fréquence et tension variablesVariateur à base d’onduleur
Comparaison entre la MLI sinusoïdale et la MLI vectorielle.
mi Stabilité du couple
TDH
MLI sinusoïdale < 1 faible faible
MLI vectorielle >1 meilleure meilleure