UE´Energie (PY49HU23) - AVR

UE ´ Energie (PY49HU23)
Mod´elisation et Commande
des Dispositifs de Gestion de l’´ Energie ´ Electriques
Conversion ´electrom´ecanique (PY49HM31)
Gestion de l’´energie ´electrique (PY49HM32)
Master Sciences pour l’Ing´ enieur
Sp´ ecialit´ e M´ ecatronique (M2-S2)
UFR Physique et Ing´ enierie
Universit´ e de Strasbourg
Edouard Laroche
[email protected]
http://eavr.u-strasbg.fr/~laroche/student
2010–2011

2

Table des mati`eres
1 Introduction 7
1.1 Pr´esentation des syst`emes ´electriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2 Descriptionducours..................................... 7
1.2.1 Conversion ´electrom´ecanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.2 Gestion de l’´energie ´electrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3 Pr´erequis ........................................... 8
2 Notions de base 9
2.1 Signaux ´electriques (rappels) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Dipˆoles et g´en´erateurs (rappels) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.1 Conventions...................................... 11
2.2.2 R´esistance....................................... 11
2.2.3 Inductance ...................................... 11
2.2.4 Capacit´e........................................ 12
2.2.5 Sources ........................................ 12
2.3 Puissance en r´egime alternatif (rappels) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3.1 R´eseaumonophas´e.................................. 12
2.3.2 Harmoniques de courant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.3 R´egimetriphas´e ................................... 15
2.4 R´egimed´es´equilibr´e ..................................... 17
2.4.1 Les trois types de r´egime ´equilibr´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4.2 D´ecomposition d’un syst`eme triphas´e d´es´equilibr´e . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4.3 ´ Etude ......................................... 19
2.5 Magn´etostatique : Production de couple et de force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5.1 Principe........................................ 21
2.5.2 R´egimelin´eaire.................................... 21
2.5.3 Fonctionnement d’un moteur ´el´ementaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5.4 Syst`emepolyphas´e.................................. 22
3 Les convertisseurs statiques 25
3.1 Introduction.......................................... 25
3.1.1 Les diff´erents types de conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.1.2 Pourquoi l’´electronique de puissance est-elle bas´ee sur la commutation ? . . . . 25
3.1.3 Principe de mod´elisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.1.4 Les´el´ementspassifs ................................. 27
3.2 Lescomposants........................................ 28
3.2.1 Diode ......................................... 28
3.2.2 Thyristor ....................................... 29
3.2.3 GTO.......................................... 29
3.2.4 Transistor....................................... 29
3.2.5 Associations de composants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3

4TABLE DES MATI` ERES
3.2.6 Pertes dans les composants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3 Les convertisseurs continu/continu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3.1 Hacheurabaisseur .................................. 31
3.4 Les convertisseurs continu/alternatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4.1 Onduleurmonophas´e................................. 35
3.4.2 Onduleurtriphas´e .................................. 37
3.5 Les convertisseurs alternatif/alternatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.5.1 Gradateur....................................... 40
3.5.2 Alimentation sans interruption (ASI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.6 Les convertisseurs alternatif/continus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.6.1 Redresseurmonophas´e................................ 40
3.6.2 Redresseurtriphas´e ................................. 44
3.6.3 PFC.......................................... 45
3.6.4 Redresseur`aMLI .................................. 46
4 Am´elioration de l’´energie ´electrique 51
4.1 Positionduprobl`eme..................................... 51
4.1.1 Gestion de l’´energie ´electrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.2 La compensation de l’´energie r´eactive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3 Lefiltragedesharmoniques ................................. 52
4.3.1 Choix des inductances de ligne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3.2 Filtrepassif...................................... 52
4.3.3 Filtreactif ...................................... 52
4.3.4 Alimentation `a facteur de puissance unitaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5 Les diff´erentes technologies d’actionneurs ´electriques 53
5.1 Principe g´en´eral de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.2 La machine `a courant continu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.2.1 Principeet´equations................................. 54
5.2.2 Diff´erents types de moteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.3 Lamachinesynchrone .................................... 58
5.3.1 Rotor ......................................... 58
5.3.2 Stator ......................................... 58
5.3.3 Force ´electromotrice induite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.3.4 Mod`ele de Behn-Eschenburg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.4 Lamachineasynchrone ................................... 62
5.4.1 Constitution ..................................... 62
5.4.2 Principe de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.4.3 Mod`ele en r´egime permanent sinuso¨ıdal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.4.4 Bilandepuissance .................................. 65
5.4.5 Expressionducouple................................. 66
6 Mod`eles dynamiques des machines `a courant alternatif 69
6.1 Production d’un champ tournant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.1.1 Champ produit dans l’entrefer par une spire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.1.2 Champ produit dans l’entrefer par un bobinage triphas´e . . . . . . . . . . . . . 70
6.1.3 Rouepolaire ..................................... 70
6.1.4 Flux traversant une spire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.1.5 Mutuelle inductance entre deux spires d´ecal´ees . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.2 Machinesynchrone...................................... 71
6.2.1 Mod`eletriphas´e ................................... 71
6.2.2 Mod`elediphas´e.................................... 73

TABLE DES MATI ` ERES 5
6.2.3 Mod`eledePark.................................... 76
6.2.4 R´egimepermanent.................................. 78
6.2.5 Alternateur...................................... 80
6.3 Lamachineasynchrone ................................... 81
6.3.1 Mod`eletriphas´e ................................... 81
6.3.2 Mod`elediphas´e.................................... 83
6.3.3 Mod`ele de Park dans un rep`ere quelconque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.3.4 Mod`ele de Park dans le rep`ere du stator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6.3.5 Commande par orientation du flux du rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
A Lexique 89
A.1 Convertisseur de fr´equence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
A.2 D´emarreur........................................... 89
A.3 Freinagedynamique ..................................... 89
A.4 MoteurDCbrushless..................................... 89
A.5 Onduleur ........................................... 90
A.6 Pompe`achaleur ....................................... 90
A.7 Variateur ........................................... 90
B M´ethode de l’optimum sym´etrique 91