Etats de l’art et étude sur les convertisseurs statiques

Conception et commande de convertisseurs statiques pour moulins à moteurs asynchrones triphasés

Etat de l’art sur les convertisseurs

Les nouvelles applications de l’électronique de puissance recherchent désormais la polyvalence, mais aussi l’extensibilité. Les avancées obtenues, en matière de composants électroniques, permettent de combiner les convertisseurs de façon plus modulaire. La coordination des actions dans l’ensemble du système est un élément vital, afin que chaque dispositif réagisse pour contribuer à l’équilibre global. Il est ainsi nécessaire de régler chacun des dispositifs pour qu’ils réagissent de la manière la plus appropriée. L’électronique de puissance est aujourd’hui parvenue à un tournant avec des approches inédites. Elle joue un rôle majeur avec l’apparition d’applications nouvelles qui se combinent aux solutions techniques pour la mise en place de nouveaux dispositifs, en offrant une flexibilité accrue en termes de gestion des sources d’énergie décentralisées. 

Systèmes de conversion de l’énergie 

Les grandeurs électriques, courant et tension, peuvent être continues ou alternatives. Chacune de ces grandeurs peut avoir des caractéristiques variables en valeurs efficaces et en fréquence. Les sources de tension ou de courant continus sont caractérisées par leurs valeurs moyennes. Par contre, les sources alternatives de tension ou de courant sont caractérisées par leurs valeurs efficaces et leurs fréquences. Du point de vue de l’utilisateur, l’énergie est souvent utilisée en continue ou en alternative à des fréquences différentes de celle du réseau. Aujourd’hui, l’électronique de puissance est un moyen efficace pour la conversion de l’énergie entre ces deux familles ou à l’intérieur d’une même famille. Les composants de l’électronique de puissance permettent de réaliser de telles conversions par l’intermédiaire de dispositifs appelés convertisseurs statiques. Ils peuvent être définis comme étant des dispositifs à composants électroniques capables de modifier la tension et/ou la fréquence de l’onde électrique. Les convertisseurs statiques offrent de nombreux avantages [6]. Ils permettent : • de contrôler et réguler le transfert de puissance avec un bon rendement ; • d’avoir un système moins lourd et moins encombrant avec des protections efficaces ; • de faciliter la mise en œuvre grˆace à l’automatisation et un cout relatif en baisse. Suivant le type de charge et la nature de la source, on distingue plusieurs familles de convertisseurs statiques. Ces derniers peuvent être classés en deux catégories : • les systèmes de conversions directs ; • les systèmes de conversions indirects. 

Conversion directe

 La conversion directe permet le passage d’une grandeur d’entrée électrique en une sortie de nature identique ou différente. Elle se fait suivant les quatre convertisseurs : • le convertisseur AC-DC ; • le convertisseur DC-DC ; • le convertisseur DC-AC ; • le convertisseur AC-AC Le principe général de conversion directe est schématisé sur la figure 1.1. 0 0 AC-AC Survolteur Dévolteur Gradateur Cyclo convertisseur DC – DC (Hacheur) AC-AC Source alternative 2 V’, f’ Source alternative 1 V, f AC-DC (Redresseur) Source continue 1 Udc Source continue 2 U ‘ dc < Udc DC- AC (Onduleur) Figure 1.1 – Schéma de principe de la conversion directe 

Conversion indirecte 

Les convertisseurs indirects permettent de transformer une source électrique en une autre source de même nature. Cela se fait de manière indirecte en passant par une étape de conversion intermédiaire directe. Le schéma de principe est donné par la figure 1.2. 0 0 AC-DC-AC DC-AC-DC Source alternative 1 V, f Source continue 2 U ‘ dc < Udc Source alternative 2 V’, f’ Source continue 1 Udc Figure 1.2 – Schéma de principe de la conversion indirecte Ces convertisseurs donnent la possibilité de contrôler les différentes grandeurs sur chaque convertisseur direct et servent de dispositifs de conversion, mais aussi d’alimentation de certaines charges comme celles motorisées. 

Dispositifs de conversions AC-DC-AC 

Les dispositifs statiques de conversions sont essentiels pour la mise en place d’interfaces d’alimentation des charges électriques. Ces dispositifs statiques sont largement utilisés dans les entrainements motorisées. Parmi ces dispositifs, on peut citer ceux dite alimentation sans interruption (ASI) et les convertisseurs indirects de fréquence AC-DC-AC. 

Dispositif d’Alimentation Sans Interruption

 Les Alimentation Sans Interruption (ASI) sont apparus vers 1960. Ces dispositifs permettent d’alimenter de façon continue les charges [7]. Ils sont constitués principalement d’un convertisseur AC-DC à diodes et d’un convertisseur DC-AC. Le convertisseur AC-DC est connecté au réseau alternatif. Il est utilisé pour alimenter le bus continu du convertisseur DC-AC et pour charger les batteries d’accumulateurs. Le schéma d’une ASI est représenté sur la figure 1.3. ≈ AC DC DC AC Source AC Charges Commutateur Batteries d’accumulateurs Figure 1.3 – Configuration de principe d’une alimentation ASI Avec la configuration, les technologies off-line et on-line sont les plus utilisées. La première est employée pour des applications de quelques kVA, avec l’alimentation de la charge par le réseau en fonctionnement normal. Quand à la deuxième, l’alimentation est délivrée par le convertisseur DC-AC sans solliciter la batterie en fonctionnement normal. Le fonctionnement des ASI se fait en mode normale et en mode autonome. • En mode normal, le convertisseur DC-AC est en série entre le réseau et la charge. La puissance fournie à la charge transite en permanence par la cascade de conversion (AC-DC et DC-AC), qui réalise une double conversion à partir de la source alternative. • En mode autonome, le convertisseur DC-AC et les batteries d’accumulateurs, précédemment chargées, assurent l’alimentation convenable de la charge. La typologie des ASI est complexe et plus couteux avec le dispositif de stockage [8]. These de Doctorat ` page 9 ucad-esp-ler Etats de l’art et étude sur les convertisseurs statiques.. 

Convertisseurs indirects de fréquence

 Les convertisseurs indirects de fréquence AC-DC-AC sont généralement utilisés pour les charges motorisées alimentées à partir d’une source électrique alternative. Ces types de convertisseurs statiques permettent de contrôler parfaitement les phases de mise en rotation et d’arrêt de l’application motorisée. Ils permettent aussi de contrôler certaines grandeurs de la machine à travers des stratégies de commandes adaptées aux besoins de l’application. La configuration du convertisseur indirect de fréquence est représentée sur la figure 1.4. DC AC AC DC ≈ Source AC Le convertisseur AC-DC-AC Charge motorisée Figure 1.4 – Configuration du convertisseur indirect de fréquence Le convertisseur indirect est constitué principalement de deux parties : ❶ La partie conversion alternative-continue (convertisseur AC-DC) : Cette partie permet de générer des grandeurs continues à partir de la source alternative par le convertisseur AC-DC. Le circuit intermédiaire placé à la sortie du convertisseur AC-DC sert de filtre. Le rôle principal de ce circuit intermédiaire ou filtre est de réduire les ondulations des grandeurs de sortie. ❷ La partie conversion continue-alternative (convertisseur DC-AC) : Cette partie assure l’alimentation de la charge motorisée alternative à partir de la source continue, obtenue par le convertisseur AC-DC et le circuit de filtre intermédiaire. Les technologies des convertisseurs généralement proposés présentent des avantages, mais aussi des inconvénients. Outre les critères de choix et de compatibilité entre les caractéristiques électriques, ils sont générateurs d’harmoniques [9, 10, 11]. A partir des ` configurations d’autres voies avec moins de contraintes peuvent être proposées. La proposition d’un convertisseur AC-DC-AC, pouvant servir d’interface entre la source et la charge, nécessite l’étude de ses différentes parties avec les influences des harmoniques. Ces derniers peuvent créer des dysfonctionnements dans le système, mais aussi pour les autres appareils connectés au réseau électrique de distribution. 

Etude sur les convertisseurs statiques 

La pollution des réseaux électriques de distribution est une conséquence inévitable de la prolifération des charges non linéaires. Ces charges engendrent des harmoniques et des distorsions harmoniques dans les courants. La présence des harmoniques ont des effets négatifs sur la quasi-totalité des composantes du système électrique et peuvent créer de nouvelles contraintes électriques. Parmi les charges non linéaires, on trouve les convertisseurs statiques. Ces types de charges électriques, qui sont de différentes natures, appellent du réseau des ondes de courants déformés constitués de plusieurs composantes harmoniques [12, 13]. Le signal déformé est la somme de signaux sinusoidaux d’amplitudes et de fréquences multiples de la valeur du fondamental. La figure 1.5 illustre le principe de la composition d’une onde de courant ou de tension déformée. Elle est constituée d’une onde sinusoidale fondamentale avec le troisième et le cinquième harmonique dans ce cas d’exemple.  Figure 1.5 – Schéma de principe de décomposition du signal déformé En supposant que même si le courant absorbé n’est pas sinuso¨ıdal, il est considéré comme périodique avec une valeur moyenne nulle. La représentation spectrale des harmoniques de courant est possible grace à la décomposition en série de Fourier. Dans ce cas de figure, sachant que le premier rang (h=1) correspond au fondamental, la relation (1.1) donne l’expression développée du courant [14, 15, 16]. i(t) = I1 × sin(ωt + φ1) +Xn h=2 Ih × sin(h ωt + φh) (1.1) Ih et φh sont la valeur efficace et le déphasage du courant harmonique de rang h. La décomposition du courant non-sinusoidal met en évidence un terme sinusoidal à la fréquence du réseau (le fondamental) et des termes sinusoidaux. Ces termes sinusoidaux ont des fréquences multiples de celle du signal fondamental (harmoniques). A partir de la décomposition de Fourier, le taux de distorsion harmonique peut être exprimer. 

 Taux de distorsion harmonique (THD) 

Le taux de distorsion harmonique est un indicateur de la qualité du signal. Il existe 2 méthodes de mesure. Selon la CEI, le taux de distorsion est définit comme étant le rapport de la valeur efficace des harmoniques à celle du courant. Par contre, selon la définition de la CIGREE, le taux de distorsion est le rapport de la valeur efficace des harmoniques à celle du fondamental [18]. Ces définitions sont semblables pour les faibles valeur du taux de distorsion harmonique. Pour prendre une majoration de la valeur, la définition du CIGREE est retenue pour ce travail. Ainsi, le taux individuel d’harmonique, représentant la valeur efficace d’une harmonique de rang (h) à celle du fondamental, est donné par la relation (1.2). THDh = Ih I1 (1.2) La généralisation de l’expression des harmoniques individuelles permet d’établir l’expression mathématique du taux de distorsion harmonique globale ou totale. Elle est donnée par la relation (1.3) [19, 20]. Le taux de distorsion est ainsi défini comme étant le rapport de la somme quadratique des harmoniques à la valeur efficace du fondamental. THD = vuutXn h=2 ( Ih I1 ) 2 = 1 I1 vuutXn h=2 I 2 h (1.3) 

Facteur de puissance

 Le terme cos(φ) et le facteur de puissance sont deux termes généralement confondus. Cette égalité est vraie pour les charges linéaires avec une source de tension sinuso¨ıdale. En régime alternatif sinusoidal avec les charges linéaires, les définitions des puissances sont uniques et claires. Le cos(φ) dépend de l’angle de phase entre la tension de la source (U) et le composant fondamental du courant (I). Les expressions des puissances active (Pr), réactive (Qr) et apparente (Sr) sont données par la relation (1.4). Pr = U I × cos(φ) Qr = U I × sin(φ) Sr = U I (1.4) Le facteur de puissance (FP) est donnée par la relation (1.5) [21]. FP = Pr Sr = cos(φ) (1.5) Cette relation montre la similarité entre le facteur de puissance et cos(φ). Cependant, elle n’est valable que pour les charges linéaires sans harmoniques de courant. These de Doctorat ` page 12 ucad-esp-ler Etats de l’art et étude sur les convertisseurs statiques én régime non sinuso¨ıdal avec les charges non linéaires, les calculs sont plus complexes. Ainsi apparait, mis à part les puissances active, réactive et apparente, une puissance déformante (D). Elle est due à la présence des harmoniques de courant. Les différentes puissances électriques peuvent être représentées graphiquement par le digramme de Fresnel. La présentation générale de ces puissances, en régime sinusoidal ou non sinusoidal, est donnée par la figure 1.6.