Soutenance mémoire
L’électronique de puissance qui englobe les convertisseurs statiques est une discipline qui fournit aux utilisateurs de nombreuses possibilités pour exploiter selon leurs besoins l’énergie électrique fournie par le réseau alternatif. Dans plusieurs domaines tels que l’industrie, les télécommunications, l’électroménager, bon nombre d’applications exigent de la part de la charge (moteur dans la plupart du temps) un fonctionnement réversible du point de vue tension et du point de vue courant. Une des structures qui offrent cette possibilité est le redresseur quatre quadrants. C’est ce qui fait l’objet du présent mémoire. Une telle structure est constituée de l’association de ponts redresseurs réversibles à thyristors ou à transistors (appelés aussi redresseurs à commande MLI). Un des principaux critères pour choisir un pont, à part les fonctions auxquelles il est destiné est le taux d’harmoniques qu’il injecte au réseau et éventuellement à la charge.
Les composants usuels en électronique de puissance
Pour les interrupteurs non commandés, on distingue principalement la diode et pour les interrupteurs commandés, les plus courants sont le transistor bipolaire, le transistor MOSFET, le thyristor, le thyristor GTO et le triac.
Limitation de surtension et circuit d’aide à la commutation
Circuit de limitation de surtension :
Lorsqu’on débite sur une charge inductive en continu ou en alternatif, l’inductance emmagasine de l’énergie électromagnétique qu’elle va restituer au circuit lors de l’ouverture de l’interrupteur du bras qui le contient. Si ce bras n’est pas maintenu fermé, il apparaît aux bornes de l’interrupteur une surtension. Pour limiter cette surtension .
Convertisseurs statiques
Les convertisseurs statiques sont des dispositifs à composants électroniques capables de modifier la tension et/ou la fréquence du signal électrique. On distingue deux sortes de sources de tension :
– sources de tension continue caractérisées par la valeur moyenne U de la tension.
– sources de tension alternative définies par les valeurs de la tension efficace V et de la fréquence f . Il y a quatre principaux types de convertisseurs statiques :
– convertisseur alternatif (V1− f1) – alternatif (V2− f2 ) : si f1= f2 , on a un gradateur ou variateur de courant alternatif ; si f1≠ f2 , on a un cycloconvertisseur ou convertisseur de fréquence.
– convertisseur alternatif – continu : on a un redresseur ou convertisseur de courant continu.
– convertisseur continu (U1 ) – continu (U2 ) : on a un hacheur ou variateur de courant continu.
– convertisseur continu – alternatif : on a un onduleur.
Présentation du logiciel Simplorer 4.1
Introduction
Le logiciel SIMPLORER 4.1 est un logiciel de simulation conçu par des développeurs allemands en 1999. Il traite de plusieurs domaines scientifiques dont l’électronique analogique (des signaux faibles et de puissance) et numérique, l’électrotechnique et l’électromagnétisme, l’asservissement et la régulation. Il comporte 2 versions :
– la version étudiante qui ne comporte que les fonctions de base;
– la version professionnelle qui est plus complète et est destinée aux professionnels.
Fonctions principales du logiciel
La version de base comporte 7 applications :
– Schematic : création de modèle par des outils graphiques
– Editor : création de modèle à partir du langage de modélisation SML (Simplorer Modeling Langage)
– Model agent : gestion des bibliothèques et des Macros
– Experiment : création et gestion de séquences de simulation
– Analytical FA : Analyse de réponse fréquentielle
– Postprocessor Day : analyse graphique et numérique des résultats de simulation
– DayOptim : analyse pour les séquences optimisées
– Documents :
– External Schematic : création de modèles en mode graphique à partir de schémas externes.
Création de projet et modèle :
Cette création de modèle se résume ainsi en utilisant Schematic : Double-cliquer sur l’icône Simplorer dans le bureau/ Cliquer sur OK à l’apparition de l’invite/ Project/ New (création d’un projet)/ Create/ Schematic/ Double-cliquer sur New File (création d’un modèle). A l’ouverture du nouveau fichier, les 11 bibliothèques de l’application sont visibles sur la gauche de l’écran. Ce sont : ACTIVE, DIGITAL, FUNCTBLS, INTERN, INTERN2, MAGNETIC, OPAMPS, SEMIKRON, SWITCHES, TRANSFORM, TYPEN.
Exemple de simulation :
On va simuler un montage hacheur à transistor. On va pour cela utiliser les éléments disponibles dans INTERN2 de Schematic. Pour cela, cliquer sur INTERN2, son contenu s’affiche en bas et à gauche. Pour choisir une résistance (par exemple), cliquer sur le + de Resistor et faire glisser linear resistor dans la fenêtre de travail. On fait de même pour les autres composants.
Choix des montages redresseurs
On utilise généralement en triphasé les montages redresseurs :
– parallèles doubles à diodes ou à thyristors qui sont les montages classiques
– des ponts à transistors et à diodes appelés aussi redresseurs MLI utilisant la technique de la modulation de largeur d’impulsions pour la commande des transistors. Dans ce chapitre, on simulera ces trois montages afin de pouvoir choisir celui que l’on va adopter pour la structure quatre quadrants. Le principal critère de choix est, à part les fonctions auxquelles le montage est destiné (valable aussi pour les autres convertisseurs) le taux d’harmoniques de courant et de tension qu’il est susceptible d’injecter au réseau et éventuellement à la charge qu’il alimente.
Fonctionnement dans les quatre quadrants
Le fonctionnement dans les quatre quadrants est étroitement lié au plan couplevitesse. Les signes du couple et de la vitesse dépendent respectivement de ceux de la tension U et du courant I .
Plan couple-vitesse : (cas d’un moteur à courant continu) Le fonctionnement d’un moteur à courant continu dans les quatre quadrants se définit par la possibilité d’inversion :
– du couple : moteur entraînant la charge ou moteur entraîné par la charge (freinage par récupération).
– de la vitesse : rotation de l’arbre dans le sens direct ou dans le sens inverse. Dans le plan couple-vitesse, les quatre quadrants correspondent chacun à un fonctionnement déterminé par le signe du produit U.I (avec U la tension d’alimentation de l’induit et I le courant d’induit).
Inversion du couple :
L’inversion du couple se produit lorsque c’est la charge qui va se mettre à entraîner le moteur. Celui-ci se comporte ainsi en génératrice. Le freinage par récupération peut se produire selon deux cas :
– soit lors du freinage du moteur par la charge (cas de la traction).
– soit lors de la descente de la charge (cas du levage).
Dans les deux cas, le courant de l’induit ainsi que le couple change de signe alors que cela n’est pas nécessairement le cas pour la tension et la vitesse.
Freinage par récupération
Lors du fonctionnement en générateur, le moteur restitue de l’énergie à la source dans le cas où celle-ci le permet. C’est le cas entre autre des batteries d’accumulateur et des sources réversibles telles que les redresseurs à thyristors ou les redresseurs MLI. Dans le cas contraire, on peut faire du freinage rhéostatique en insérant une résistance en série avec un interrupteur commandé en parallèle à l’étage continu. Dans le cas des commandes multi moteurs, la récupération vers la source ou dans une résistance n’est pas nécessaire parce qu’elle se fait par échange d’énergie entre les différentes machines.
Convertisseurs quatre quadrants
Il existe plusieurs structures de convertisseurs statiques fonctionnant dans les quatre quadrants mais on n’en retiendra que 3 :
– le hacheur réversible ;
– le redresseur onduleur ;
– le redresseur quatre quadrants dont le redresseur MLI qui n’est autre qu’un onduleur MLI fonctionnant en redresseur.
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Table des matières
Introduction
Chapitre 1 : Etudes préliminaires
I.1 Les composants usuel s en électronique de puissance
I.1.1 Diode
I.1.1-a) Symbole
I.1.1-b) Caractéristiqu e tension – courant IK =f(VK)
I.1.2 Transistor bipolaire
I.1.2-a) Symbole
I.1.2-b) Caractéristiq ue tension – courant IC=f(VCE)
I.1.3 Transistor MOSFET (Metal Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor)
I.1.3-a) Symbole
I.1.3-b) Caractéristique t ension – courant ID= f (vDS)
I.1.4 Thyristor
I.1.4-a) Symbole
I.1.4-b) Caractéristi que tension – courant iK=f (vK)
I.1.5 Thyrist or GTO(Gate Turn Off Thyristor)
I.1.5-a) Symbole
I.1.5-b) Caractéristique
I.1.6 Le triac
I.1.6-a) Symbole
I.1.6-b) Caractéristique
I.1.7 Quelques références de composan ts fournies par les fabricants
I.1.7-a) Diod e de signal 1N4148
I.1.7-b) Transistor pet its signaux 1N2222
I.1.7-c) Transistor MOS FET d e puissance BUZ71A
I.1.7-d) Thyristor à usage gé néral TYN058, G, K
I.1.7-e) Triac à usag e général TLC116 B
I.2 Limitation de surtension et circuit d’aide à la commutation
I.2.1 Circu it de limitation de surtension
-en alternatif
-en continu
I.2.2 Circuit d ’aide à la commutation ou CALC
I.3 Convertisseurs statiques
I.4 Présenta tion du logiciel Simplorer 4.1
I.4.1 Introduction
I.4.2 Fon ctions principales du logiciel
I.4. 3 Création de projet et modèle
I.4.4 Exemple de simulation
Chapitre 2 : Les montages redresseurs
II.1 Choix des montages redresseurs
II.1.1 Pont para llèle double triphasé à diodes
II.1.1-a) Schéma de simulation
II.1. 1-b) Résultas de la simulation
II.1.1-c) Interprétations
II.1.2 Pont parallèle double triphasé à thyristors
II.1.2-a) Schéma de simulation
II.1.2-b) Gra phe de commande des thyristors
II.1.2-c) Résultats de la simulation (pour α =35°)
II.1.2-d) Interprétations
II.1.3 Redresseur MLI (Modulation de largeurs d’impulsions)
II.1.3-a) Schéma de simulation
II.1.3-b) Résultats de la simulation
II.1.3-c) Interprétations
II.2 Analyse harmonique du courant de la phase second aire et de la tension redressée
II.2.1 Transformée de Fourier Rapide ou Fast Fourier Transform (FFT)
II.2 .2 Algorithme de Cooley-Turkey
II.2.3 Organi gramme de traçage des spectres
II.2.4 Résultats de l’analyse spectrale
II.2 .4-a) Pour le montage à diodes
II.2.4-b )Pour le montage à thyristors
II .2.4-c) Pour le redresseur MLI
II.2.5 Interprétations
II.3 Principe du redresseur quatre quadrants
Chapitre 3 :Structure des convertisseurs fonctionnant dans les quatre quadrants
III.1 Fonctionnement dans les quatre quadran ts
III.1.1 Plan couple-vitesse
-du couple
-de la vitesse
III.1.1-a) Inversion du couple
III. 1.1-b) Inversion de la vitesse
– équation de la fém E
-équation du couple T
III .1.2 Freinage par récupération
III.2 C onvertisseurs quatre quadrants
III.2.1 Hacheur réversible
I II.2.1-a) Schéma de principe
III.2.1 -b) Principe de fonctionnement
III.2.2 Redresseur onduleur
III.2.2-a) Schéma de principe
III.2.2 -b) Principe de fonctionnement
III.2.3 Redres seur quatre quadrants
III.2.3-a) Le mo ntage à circulation de courant
III.2.3-b) Le monta ge sans circulation de courant
-le montage à bande morte
-le montage à logique de basculement
III.2.4 R edresseur MLI quatre quadrants
III.2.4 -a) Principe de fonctionnement
-R éversibilité de l’onduleur MLI
-R edresseur MLI quatre quadrants
III.2.3-b) Schéma de principe
Conclusion
