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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE & POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR & DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE DU 20 AOÛT 1955 – SKIKDA FACULTE DE TECHNOLOGIE DEPARTEMENT DE GENIE ELECTRIQUE MEMOIRE Présenté pour l'obtention du diplôme de Magister SPECIALITE : Électrotechnique OPTION : Machines électriques PAR BOUROUROU FARES THEME Adaptativité de la machine synchrone au filtrage actif des harmoniques de tension SOUTENU PUBLIQUEMENT LE : …………. DEVANT LE JURY COMPOSE DE : PRESIDENT : ENCADREUR : EXAMINATEURS : S. LEULMI H. BOUZEKRI H. BOUKADOUM K.E. HEMSES Pr. M.C. Pr. M.C PROMOTION : 2005 Université du 20 Août 1955, Skikda Université du 20 Août 1955, Skikda Université du 20 Août 1955, Skikda Université Ferhat Abbes, Sétif REMERCIEMENTS Louage a Allah le maître des mondes, le très miséricordieux, le compatissant Recevez chères parents l’assurance de notre considération distinguée et nos sentiments les plus ardents Honorable encadreur Dr. M. BOUZEKRI HACENE Permettez moi de vous exprimer toute ma gratitude pour la faveur que vous avez eu l’amabilité de me rendre Grâce à votre encadrement, à vos conseils, j’ai pu effectuer ce modeste travail Je tient à remercier Monsieur KHEZZAR ABDELMALEK, Professeur a l’université de Constantine, pour m’avoir fait l’honneur de présider mon jury. Je tien a remercier tous particulièrement, monsieur BOUKADOUME AHCENE, Prf a l’université de Skikda, monsieur BOUCHARMA MOHAMED, MC a l’université de Constantine , monsieur LACHEURI ABD EREZAK, MC a l’université de Skikda pour avoir accepte de participer a ce jury. Mes enseignants, mes amis soyez vivement remercier d’avoir bien voulu m’aider de continuer mes études pendant toutes les années. F. Bourourou LISTE DES TABLEAUX Tableau Titre Page 2.1 Normes des courants harmoniques admissibles 19 2.2 Avantages et inconvénients de chaque topologie de filtrage 28 3.1 Tableau récapitulatif des notations utilisées dans le repère de Park 35 3.2 Fréquence du champ tournant harmonique dû à l’interaction des harmoniques de temps et d’espace 51 LISTE DES FIGURES Figure Titre Page 1.1 Schéma de principe de la MSAPDE +MLI utilisée comme filtre dynamique [6]. 01 1.2 Schéma simplifié de l’étoile principale de la MSAPDE dans le repère ABC [6]. 02 1.3 Schéma simplifié de l’étoile secondaire de la MSAPDE dans le repère ABC [6]. 02 1.4 Switched-capacitor filter. 04 1.5 Circuit détaillé du switched - capacitor filtre. 04 1.6 Spectre de courant avant filtrage [14]. 05 1.7 Spectre de courant après filtrage [14]. 05 1.8 Schéma de principe de filtrage. 05 1.9 Filtre actif & circuit de contrôle. 05 1.10 Région de contrôlabilité du courant. 06 1.11 Courant délivré par le filtre actif. 06 1.12 Courbes du courant de charge et de source avant et après filtrage [15]. 06 1.13 Schéma de principe de filtrage [16]. 07 1.14 Onduleur à MLI [16]. 07 1.15 Schéma de principe de filtre actif de puissance & circuit de contrôle [16]. 07 1.16 Schéma de filtre actif de puissance à stockage hybride d’énergie [17]. 08 1.17 Résultats obtenus par un APF à stockage hybride d’énergie [17]. 08 2.1 Courant absorbé par un redresseur à diode 15 2.1 Modélisation d’une charge non linéaire 15 2.3 Effet des harmoniques sur le facteur de puissance 17 2.4 Effet des harmoniques sur les pertes Joule 18 2.5 Redresseur dodécaphasé parallèle 20 2.6 Principe de filtrage passif 21 2.7 Structure générale du filtre actif de puissance 22 2.8 Onduleur de tension triphasé à 4 fils 22 Liste des figures 2.9 Filtrage série à structure tension 23 2.10 Filtrage shunt à structure tension 24 2.11 Filtrage universel 25 2.12 Structures hybrides 26 2.13 Filtre actif triphasé installé prêt de la source 27 2.14 Filtre actif monophasé installé pour compenser chaque charge 27 2.15 Filtre actif monophasé installé pour compenser un groupe de charges 27 2.16 Structure d’un filtre dynamique d’harmoniques basée sur une MADA 29 2.17 Schémas d’un filtre actif électromécanique 30 2.18 Structure d’un système de compensation des harmoniques par la MS 31 3.1 Représentation des machines synchrones à pôles lisses et saillants 34 3.2 Diagramme vectoriel d’un moteur synchrone dans le repère de Park 36 3.3 Schéma équivalent de la machine synchrone à inducteur bobiné 37 3.4 Représentation de la MSRB avec amortisseur dans le repère de Park 38 3.5 Présentation de l’enroulement amortisseur d’une MSRB 40 3.6 Angles de déphasage entre les axes et les enroulements 42 3.7 Représentation de la MSRB sur le repère dq 45 3.8 Circuit équivalent de la MSRB avec amortisseur – axe d 46 3.9 Circuit équivalent de la MSRB avec amortisseur – axe q 46 3.10 Bloc diagramme de simulation d’une machine synchrone avec amortisseur 48 3.11 Circuit équivalent de la MSRB avec harmonique de temps axe d 53 3.12 Circuit équivalent de la MSRB avec harmonique de temps axe q 53 4.1 Bloc de simulation d’une MSRB excitée par une source de tension continue 55 4.2 Paramètres de la machine et de la charge utilisées 55 4.3 Bloc de simulation d’une MSRB excitée par une source de tension alternative 56 4.4 Tension de sortie de la MSRB avec excitation AC-200[Hz] 56 Liste des figures 4.5 FFT de la tension de sortie de la MSRB avec excitation AC-200[Hz] 57 4.6 Tension de sortie de la MSRB avec excitation AC-100[Hz] 57 4.7 FFT de la tension de sortie de la MSRB avec excitation AC-100[Hz] 57 4.8 Tension de sortie de la MSRB avec excitation AC-300[Hz] 58 4.9 FFT de la tension de sortie de la MSRB avec excitation AC-300[Hz] 58 4.10 Bloc diagramme de la structure proposée pour la compensation des harmoniques 60 4.11 Bloc diagramme d’une structure de compensation d’harmoniques basée sur APF 60 4.12 Structure de compensation d’harmoniques basée sur la MSRB 61 4.13 Tension de charge et de source avant et après filtrage 62 4.14 Tension de charge avant et après filtrage 62 4.15 Courant d’excitation de la MSRB 63 4.16 Tension d’excitation de la MSRB et celle de la charge 63 4.17 Tension de filtrage délivrée par la MSRB avant et après filtrage 63 4.18 Tension de charge avant et après filtrage plus les tension de filtrage 64 4.19 Spectre d’harmoniques de la tension de charge après filtrage 64 4.20 Tensions de charge et de source avec et sans filtrage - source variable - 65 4.21 Tension de charge avec et sans filtrage - source variable - 65 4.22 Tensions de charge et de source avec et sans filtrage - réseau variable - 66 4.23 Zoom des tensions de charge et de source avec et sans filtrage - réseau variable - 66 LISTE DES ACRONYMES Abréviation AACWSM Désignation Asymmetric air gap concentred winding synchronous machine AC Alternative curent AG Algorithmes génétiques APF Actif power Filter CEI Comité international d’électrotechnique DSP Digital signal processing F.e.m Force électromotrice F.m.m Force magnétomotrice GTO Gate turn off HDVC High direct voltage current IDEA Integrated doubly fed electric alternator IEC International électrotechnique committee IEEE Institute of electrical and electronics engineers IGBT Insulate gate bipolar transistor LF Logique floue MADA Machine asynchrone double alimentation MASDE Machine asynchrone double étoile MATLAB MS MSAP MSAPDE MSRB Matrix laboratory Machine synchrone Machine synchrone à aiment permanent Machine synchrone à aiment permanent double étoile Machine synchrone à rotor bobiné P Régulateur proportionnel PI Régulateur proportionnel intégrateur PIC Peripheral interface controller Liste des acronymes PID Régulateur proportionnel intégrateur dérivateur PSIM Power simulator RMI Réaction magnétique d’induit RNA Réseaux de neurones artificiels STATCOM THD UPQC VDC Static compensator Taux de distortion harmonique Unified power quality conditioner Voltage direct current LISTE DES NOTATIONS Le tableau suivant résume les différents symboles utilisés le long de ce mémoire. Symbole C Dénomination Condensateur Unité [F] Cem Couple électromécanique [N.m] Cr Couple résistant [N.m] h Rang harmonique - Ich Courant de charge [A] Id Courant direct dans le repère de Park [A] Ieff Courant efficace [A] Iq Courant en quadrature dans le repère de Park [A] Is Courant de source [A] L Inductance [H] n Vitesse de rotation P Puissance [W] λ Flux magnétique [Wb] Puissance moyenne [W] R Résistance [Ω] Vd Tension directe dans le repère de Park [V] Veff Tension efficace [V] Vq Tension en quadrature dans le repère de Park [V] Vs Tension de source [V] δ Angle de déphasage [rad] θ Angle de phase [rad] ξ F .e. m [V] p Nombre de paires de pôles Pmoy [tr/min] - TABLE DES MATIERES Remerciements Dédicaces ملخــــــص Abstract Résumé Liste des acronymes Liste des figures Liste des notations Liste des tableaux 1. INTRODUCTION 1.1. Etude bibliographique 1.2. Formulation du problème 1.3. Objectifs et contributions souhaités 1.4. Organisation du mémoire 2. SYSTEMES DE FILTRAGE 2.1. Introduction 2.1.1. Définition des systèmes de filtrages 2.1.2. Rôle d’un système de filtrage 2.2. Qualité de l’énergie électrique 2.3. Perturbations et leurs conséquences 2.3.1. Perturbations dues aux fluctuations de la fréquence 2.3.2. Perturbations dues aux creux de tension 2.3.3. Perturbations dues aux variations de la valeur efficace 2.3.4. Perturbations dues aux déséquilibres du réseau 2.4. Perturbations harmoniques 2.4.1. Principe de propagation des harmoniques 2.4.2. Caractérisation des perturbations harmoniques 2.4.3. Effets des perturbations harmoniques 2.4.4. Influence des harmoniques sur le facteur de puissance 2.4.5. Normes concernant les perturbations harmoniques 2.5. Solutions d’amélioration de la qualité d’énergie 2.5.1. Solution basée sur la méthode de modification de la structure 2.5.2. Solution basée sur la méthode de compensation 2.6. Systèmes de filtrages des harmoniques 2.6.1. Filtrage passif 2.6.2. Filtrage actif 01 01 09 10 10 12 12 12 12 12 13 13 13 14 14 14 15 16 16 16 18 19 19 20 20 20 21 Table des matières a. Structure d’un filtre actif b. Topologies de filtrage 1. Filtrage actif série 2. Filtrage actif shunt 3. Filtrage universel 4. Filtrage hybride c. Structures de raccordement des filtres d. Comparaison entre les différentes topologies de filtrage actif 2.6.3. Filtre dynamique 2.7. Conclusions 3. MODELISATION DE LA MACHINE SYNCHRONE AVEC ET SANS AMORTISSEURS 3.1. Introduction 3.1.1. Types de modélisation a. Modélisation de Park b. Modélisation par réseaux de perméances c. Modélisation par éléments finis 3.1.2. Choix du type de modélisation 3.2. Machines synchrones 3.3. Modèle de la machine synchrone à inducteur bobiné « sans amortisseur » 3.3.1. Modèle de Park 3.3.2. Repère de Park 3.3.3. Equations de la machine synchrone a. Equations des tensions b. Equations des flux c. Equation du couple électromagnétique d. Schéma équivalent de la machine synchrone à inducteur bobiné 3.4. Modèle de la machine synchrone à inducteur bobiné « avec amortisseur » 3.4.1. Description technologique du MS a. Enroulement d’amortissement b. Rôle des amortisseurs 3.4.2. Hypothèses de la modélisation 3.4.3. Equations du modèle a. Equations de tension 1. Du stator 2. Du rotor b. Equations de couplage électromagnétique 3.4.4. Calcul des coefficients de la matrice [Ls] a. Inductances propres statoriques : Laa , Lbb , Lcc b. Inductances mutuelles stator-stator c. Inductances mutuelles stator-rotor 1. Enroulement q 2. Enroulement f 3. Enroulement D d. Inductance propre rotorique 22 23 23 24 25 25 26 28 28 31 32 32 32 32 33 33 33 34 34 35 35 36 36 36 36 37 38 38 39 40 40 41 41 41 41 41 42 42 42 43 43 43 43 44 Table des matières 3.4.5. Transformation de Park a. Système des équations électromagnétiques b. Schéma équivalent 1. Axe d 2. Axe q c. Couple électromagnétique 3.4.6. Bloc diagramme de simulation d’une machine synchrone avec amortisseur 3.5. Modèle de la machine synchrone à inducteur bobiné en tenant compte des harmoniques de tension 3.5.1 Champ tournant harmonique 3.5.2. Cas de réparations non sinusoïdaux 3.5.3. Cas de courants non sinusoïdaux 3.5.4 Cas de courants non sinusoïdaux et d’une répartition non sinusoïdale 3.5.4 Modèle de la MSRB en tenant compte des harmoniques de temps 3.5.4 Circuit équivalent de la MSRB en tenant compte des harmoniques de temps 3.4. Conclusions 4. COMMANDE ET REGULATION DE LA COMPENSATION 4.1. Introduction 4.2. Machine synchrone à excitation shunt 4.2.1. MS excitée par une source continue 4.2.2. MS excitée par une source alternative 4.3. Compensation des harmoniques de tension par la MSRB 4.3.1. Description de la méthode proposée 4.3.2. Bloc de simulation basé sur la méthode proposée 4.3.3. Résultats de simulation 4.4. Conclusions 5. CONCLUSIONS & PERSPECTIVES 5.1. Conclusions 5.2. Perspectives 44 45 45 45 45 47 48 48 48 48 49 50 51 53 53 54 54 55 55 56 59 59 61 61 67 68 68 68 ANNEXES A. Fiches techniques des paramètres B. ملخــــص مطـــول C. Résumé étendu D. Fiches techniques des références REFERENCES 69 69 70 72 74 DEDICACES Le plus merveilleux des sentiments que peut éprouver un homme reste celui de sa satisfaction après avoir réussi. Une réussite à la quelle on parvient après l’effort et un dur labeur et ce bien grâce à la volonté de Dieu. Et voila, je suis arrivé à cette mémorable journée qui nécessite ma réussite à ma vie d’éducation. Cette journée qui reste toujours plus mémorisée après tous les efforts que j’ai fait pendant toutes mes années. Précieuse mère et précieux père, je vous dédie ma vive reconnaissance au fond de mon cœur. Veuillez accepter mes grands sentiments, et que Dieu vous protège. Au fond du mon cœur, je n’oublie jamais mes grandes mères Fatima et fatma et leurs fils A mes chers parents ….. A mes frères et sœurs ..... A tous mes amis ….. A KAMEL GAMIT Tous ceux qui me sont chers. Tous ceux qui oeuvrent pour le bien de la nation et de l'humanité A ma cher femme Meryem, ses parents, ses frères et sœurs et tous la famille Boulkenefet. Et spécialement pour : les enseignants …... Et tous les travailleurs de l’Université du 20 Août 1955 - Skikda A tous, je vous dis merci F. Bourourou ملخــــص هزا اىبسث يهتٌ بتخفيط االظطشاباث اىتىافقيت في اىشبناث اىنهشبائيت .في اىبذايت، سْعشض ٍختيف اىتيىثاث اىتىافقيت و تأثيشاتها عيً ّىعيت اىطاقت اىنهشبائيت و مزىل ٍختيف اىسيىه اىََنِ استعَاىها ( أّظَت اىتششير ) .بعذ طشذ اىَشنيت ،سْقىً بَْزخت وٍساماة اىْظاً اىَقتشذ ىسو هزٓ اىَشنيت و اىَتَثو أساسا في ٍامْت مهشبائيت ٍتضاٍْت ثالثيت اىطىس ٍضودة بذاسة تسشيط ٍتسنٌ فيها ( ٍششر ديْاٍيني ) زيث أُ داسة اىتسشيط تيعب اىذوس اىشئيسي في فشض تياس تسشيط قادس عيً إّتاج قىة دافعت مهشبائيت (ق.د.ك) في ٍيفاث اىدضء اىسامِ ىيَامْت ، ٍتنىّت ٍِ ق.د.ك أساسيت صائذ ق.د.ك تىافقيت ،قادسة عيً إخَاد تأثيشاث االظطشاباث اىتىافقيت اىَتىاخذة في اىشبنت اىنهشبائيت خاصت رواث اىشتب ، 5 ، 3و .7 و في األخيش ّقذً تسييو ىيْتائح اىَتسصو عييها ٍع تثَيْها ىْبيِ ٍذي ّداعت هزٓ اىطشيقت اىَقتشزت في تسسيِ ّىعيت اىطاقت اىنهشبائيت اىَْقىىت في اىشبناث اىنهشبائيت. الكلمات المفتاحية : شبنت مهشبائيت – زَىىت غيش خطيت – اظطشاباث تىافقيت – تعىيط – ٍششر ّشط ىيطاقت اىفعاىت – ٍششر ديْاٍيني – ٍامْت ٍتضاٍْت – َّزخت – ظبط – ٍساماة. ABSTRACT This work deals with the harmonic voltages minimization in electrical network. First, we treat the different harmonic perturbations and their influences on the power factor degradation and the different solutions that can be used (filtering systems). Then, we formulate the problem. One solution composed mainly from a synchronous machine with a modified excitation circuit (dynamic filter) where the role is to impose an excitation current able to create, in the stator winding, an e.m.f (fundamental plus harmonics) able to minimize the present harmonics in the network. This will be modulated then simulated. Finally, an analysis of the results and their validation will be done to improve the validity of the proposed solution. Keywords: Electrical network – non linear load – harmonic – compensation – active power filter – dynamic filter – synchronous machine – modeling – regulation – simulation. RESUME Le présent travail est consacré à la minimisation des harmoniques de tension dans un réseau électrique. En premier lieu, on va traiter et analyser des différentes perturbations harmoniques et leurs influences sur la dégradation de la qualité de l’énergie. Ensuite, les différentes solutions pouvant être utilisées (les systèmes de filtrages) seront étudiées et analysées. Après avoir posé le problème, une solution constituée, principalement, d’une machine synchrone à excitation contrôlée (filtre dynamique) dont le rôle est d’imposer un courant d’excitation capable de produire dans le bobinage statorique une f.e.m (fondamental plus des harmoniques) capable de minimiser les harmoniques présentes dans le réseau, sera modélisée puis simulée. Enfin, une analyse des résultats et leur validation sera faite pour montrer la validité de la solution proposée. Mots clés : Réseaux électriques – charge non linéaire – harmonique – compensation – filtre actif de puissance – filtrage dynamique – machine synchrone – modélisation – régulation – simulation CHAPITRE 1 INTRODUCTION 1.1. ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE Ce modeste travail est une continuation des autres travaux déjà faits [1]-[13] et notamment le filtrage dynamique des harmoniques par la machine synchrone. Certains auteurs ont proposé d’étudier une nouvelle méthode pour la compensation des harmoniques et l’amélioration de la qualité de l’énergie d’un réseau embarqué. Cela a été accompli par l’utilisation de la machine synchrone à aiment permanent à double stator pour jouer le rôle d’un filtre actif de puissance. Cette technique consiste à utiliser une telle machine associée à un redresseur à MLI dont le rôle est d’imposer une forme de courant dans l’étoile secondaire capable de minimiser les harmoniques de construction de l’étoile principale (dues à la répartition non sinusoïdale des flux de la machine, et dues aux charges non linéaires). La solution proposée est basée sur le principe suivant : l’étoile principale « première étoile » de la machine synchrone à aimant permanent double étoile alimente le réseau principal. L’étoile secondaire + le redresseur MLI impose les formes de courant dans l’enroulement secondaire et de générer, par effet mutuel, dans l’enroulement principal des tensions harmoniques en opposition avec ceux générés par la machine, pour les annuler. Le schéma de principe de cette configuration est représenté par la figure 1.1. Fig.1.1. Schéma de principe de la MSAPDE +MLI utilisée comme filtre dynamique [6]. . 1 Introduction La machine peut être représentée par des composantes fondamentales et des composantes harmoniques qu’on peut les séparer comme le montre le schéma des figures 1.2 et 1.3. Fig.1.2. Schéma simplifié de l’étoile principale de la MSAPDE dans le repère ABC [6]. Fig.1.3. Schéma simplifié de l’étoile secondaire de la MSAPDE dans le repère ABC [6]. L’obtention de bons résultats [6]-[9] par cette technique a donné naissance à l’idée d’étudier le cas d’utilisation de la machine synchrone normale à rotor bobiné pour jouer le rôle de filtre actif de puissance qui est le but de notre travail. Mais, avant d’entrer dans les détails de cette technique, on souhaite, tout d’abord, présenter quelques travaux dans le domaine du filtrage actif et de présenter, ensuite, les différentes étapes de développement de ces filtres au cours des années précédentes jusqu’ aux développements des filtres dynamiques. La modélisation de la machine synchrone sera, elle aussi évoqué. Le premier principe de fonctionnement des filtres actifs de puissance « APF » a été présenté dans la littérature en 1970. En 1976, une première famille de filtres actifs a été conçue à partir d’onduleur à transistors de puissance commandé en MLI. Ces derniers dispositifs de puissance étaient, alors , proposés seulement pour la compensation des courants harmoniques. Cependant, à 2 Introduction cette époque, il était encore difficile de concevoir ce type de système pour des applications industrielles. En effet, dans ces années là, il était presque impossible de trouver sur le marché, des interrupteurs de puissance capables de fonctionner aux fréquences de commutation et aux niveaux de puissance exigés par la réalité industrielle. Cette barrière technologique a été franchie, dès 1977, lors de la conception d’un premier prototype de filtre actif parallèle à base de thyristors à commutation naturelle pour la compensation de courants harmoniques. Cependant, l’application des onduleurs à base de thyristors a, tout de suite, posé le problème de la génération non désirée de composantes harmoniques injectées au réseau à la fréquence de commutation. La même raison a, également, empêché l’utilisation de compensateurs statiques parallèles à thyristors. Ces derniers avaient été conçus pour la compensation conjointe de la puissance réactive et des courants déséquilibrés. Au cours des années 1980, des progrès importants dans le domaine de semi conducteurs ont permis de développer de nouvelles composantes de puissance permettant des hautes fréquences de commutation avec une forte puissance. Profitant de ces avancées, de nombreux onduleurs de puissances à base de GTO, commandés en MLI, ont pu être conçus en vue de répondre aux contraintes industrielles de conception des APF. Ainsi, ces derniers ont commencé à être commercialisés au Japon. Ces premiers prototypes ne compensaient alors que les perturbations harmoniques de courant. Suite à ces développements, d’autre types d’APF ont pu être réalisés pour compenser à la fois la puissance réactive, et /ou les harmoniques et les déséquilibrés de courant. Actuellement, les APF sont, essentiellement, installés par les consommateurs industriels. L’évolution future de ces dispositifs de puissance pourrait autoriser le fournisseur d’énergie à prendre un rôle plus important, en lui permettant de les installer lui-même. Cette approche permettrait d’amortir les propagations des harmoniques causées par la résonance, Cette dernière peut être observée entre les inductances du réseau et les batteries de condensateurs installés pour améliorer le facteur de puissance. De même, des APF installés par le fournisseur aurait aussi pour objectif de réduire la distorsion harmonique de tension en amont, coté réseau électrique. Même, s’il existe des références antérieures sur les filtres actifs, la première famille de filtres actifs parallèles a été conçue à partir d’onduleurs à thyristors commandés par MLI. Ces filtres ont été développés pour éliminer les harmoniques générés par les convertisseurs utilisés dans les systèmes de transmission de courant continu en haute tension (HVDC). Toutefois, à cette époque la technologie des interrupteurs d’électronique de puissance ne permettait pas un développement applicatif significatif. Les années suivantes ont vu des progrès importants avec la commercialisation de composants d’électronique de puissance qui commutent des puissances de plus en plus importantes avec des fréquences de plus en plus élevées. Ainsi, en 1982, le premier filtre actif parallèle de 800 [kVA], composé d’un commutateur de courant à MLI et de thyristors GTO, a été installé pour la compensation d’harmoniques. 3 Introduction Par la suite, de nombreux onduleurs de puissance commandés par la MLI ont été développés pour des applications de filtrage actif. En conséquence, les filtres actifs parallèles ont commencé à être commercialisés et installés à travers le monde et surtout au Japon. En 1996, il y avait plus de 500 filtres actifs parallèles installés avec des puissances allant de 50 [kVA] à 2 [MVA]. En 1990, Pratap Meht a publié dans le journal IEEE un article sous le titre « Switchedcapacitor filter ». Il a proposé une nouvelle structure de filtre parallèle représenté dans la figure 1.4 [14]. Fig.1.4. Switched-capacitor filter [14]. Le circuit détaillé du switched- capacitor filter est représenté dans la figure 1.5. Il a réussi à minimiser les harmoniques d’ordres 3, 5, 7, et 9 et d’éliminer les harmoniques d’ordre élevé, comme l’indique les résultats présentés dans le même article [14]. Fig.1.5. Circuit détaillé du switched- capacitor filter [14]. 4 Introduction Fig.1. 6. Spectre de courant avant filtrage [14]. Fig.1.7. Spectre de courant après filtrage [14]. Dans la même année, un autre article du Hirofumi Akag, sous le titre « Analysis and design of an actif power filter using quad-series voltage source PWM converter », a été publié dans le même journal IEEE. La structure proposée du filtre actif est celle de la figure 1.8 [15]. Fig.1.8. Schéma de principe de filtrage [15]. Fig.1.9. Filtre actif & circuit de contrôle [15]. Dans cette publication l’hauteur explique le principe de fonctionnement du filtre et défini les régions de contrôlabilité du courant de réseaux, (Fig.1.10). Les résultats obtenus par la structure proposée sont représentés par les figures 1.11, et 1.12 [15]. 5 Introduction Fig.1.10. Région de contrôlabilité du courant. Fig.1.11. Courant délivré par le filtre actif. Fig.1.12. Courbes du courant de charge et de source avant et après filtrage [15]. En janvier 1990, Fang-zhamg Pemg a publié l’article « A study of active power filters using quad-series voltage source PWM converter for harmonic compensation ». Il a présenté une structure détaillée du filtre actif de puissance et le circuit du convertisseur PWM (Fig.1.13 et 1.14) [16]. 6 Introduction Fig.1.13. Schéma de principe de filtrage [16]. Fig.1.14. Onduleur à MLI [16]. Fig.1.15. Schéma de principe de filtre actif de puissance & circuit de contrôle [16]. L’étude a été faite sur le système de la configuration présentée dans la figure 1.13. Malgré que les résultats obtenus ne sont pas clairs dans l’article, il montrent le rôle du filtre actif de puissance. [16] Dans l’article « Active power filter with hybrid energy storage » de Luigi Malesani publié en Juillet 1991, un filtre de structure présentée sur la figure 1.16 est étudié [17]. Les résultats obtenus, sont représentés par la figure 1.17. 7 Introduction Fig.1.16. Schéma de filtre actif de puissance à stockage hybride d’énergie [17]. Fig.1.17. Résultats obtenus par un APF à stockage hybride d’énergie [17]. Entre les années 1990-2009, on remarque dans la littérature que les différentes structures des filtres actifs étudiés sont basées sur l’onduleur, que soit de tension ou de courant, avec une variation dans la méthode de contrôle du filtre « la partie de commande » : celle qu’utilise les régulateurs classiques, analogiques ou numériques, comme les régulateurs PI, PID. Celle qu’utilise des micro contrôleurs ou des DSP avec d’autres techniques de régulation utilisant des régulateurs intelligents, telle que la logique flou (LF), les réseaux de neurone (RNA), ou sur les algorithmes génétiques (AG) etc. 8 Introduction 1.2. FORMULATION DU PROBLEME La présence élevée des équipements d’électronique de puissance et, notamment, les charges non linéaires et leur variation en fournissent la génération des signaux dits harmoniques qui se propagent dans le réseau et causent la dégradation de la qualité de l’énergie. Ceci provoque des problèmes de destruction des équipements, d’échauffement, de vieillissement et de chevauchement des systèmes de commande. La diversité des sources de production d’énergie et les interconnections de ces sources avec le réseau, comme les sources éoliennes et solaires avec les centrales nucléaires, les centrales thermiques, hydrauliques ou autres constituent des éléments perturbateurs qui nous obligent à chercher des méthodes qui nous permettent de garder l’énergie électrique stable et propre de toutes ces perturbations. Aussi, l’augmentation des réseaux de télécommunication basée sur les ondes électromagnétiques produit dans le réseau électrique des perturbations qui peuvent causer des effets indésirables sur les équipements et les systèmes électriques, en l’occurrence les systèmes de contrôle, de protection et de coupure. Ce problème de dégradation de la qualité de l’énergie est découvert dés les années 1920 et à ce jour où l’étude et l’analyse des références illustrent bien que plusieurs travaux de recherche ont été effectués pour résoudre ce problème d’où parmi les premières solutions proposées, étudiées puis utilisées, les filtres passifs sont usités pendant longtemps. Mais, à cause des problèmes rencontrés et surtout les inconvénients de ces filtres et l’augmentation des types de perturbations dans les réseaux électriques, notamment, avec le développement connu dans les équipements d’électronique de puissance et dont l’énergie nécessaire pour la compensation de ces harmoniques est augmentée, une autre solution plus efficace est découverte avec le développement des travaux de recherche dans le domaine de filtrage s’appelant les filtres actifs. Plusieurs topologies ont été proposées (série, parallèle, combiné,…) [15]- [17]. Les travaux sur le filtre actif de puissance (APF) ont été vastes. Les références illustrent le volume énorme des travaux effectués surtout entre les années 1990 et 2005. Ils ont été accélérés avec le développement des composants d’électronique de puissance et surtout avec la mise au point des structures IGBT, MOSFET et thyristors. Ces APF ont des boucles de régulation. Plusieurs structures de régulation ont été étudiées. Ceci permet de découvrir plusieurs techniques de commande et de régulation notamment, les régulateurs P, PI, PID, flou, mode glissant, réseaux de neurones, et des algorithmes génétiques. L’apparition des cartes à microcontrôleurs comme le Moto 68HC11F1, 68HC11E2 du MOTOROLA et les PIC comme le 16F84 et les cartes à DSP a offert un autre point de connexion entre les systèmes informatisés qui permettent de faire des opérations d’ordre élevé dans 9 Introduction des périodes très courtes. Ceci aide au développement des structures de contrôle en temps réel des processus grâce à ces avantages et surtout au développement remarquable dans les logiciels de simulation et des langages de programmation utilisés notamment le langage assembleur et le langage machine. Ces outils efficaces ont permis d’accélérer les travaux de recherche et de permettre de commander ces phénomènes (perturbations). Ceci est traduit par les bons résultats obtenus dans les travaux présentés dans les références, et d’analyser ces causes et ces influences sur les équipements et aussi d’identifier les générateurs de ces harmoniques. Aussi, ont permis de découvrir et de lancer des recherches dans un autre type de filtrage qui permet l’augmentation énorme de l’énergie de compensation nécessaire à injecter dans les réseaux. Une solution basée, principalement, sur les machines électriques, qui permet d’exploiter la machine, elle-même, pour produire de l’énergie de compensation avec l’énergie fournie au client par simples modifications de la structure de commande de la machine comme dans le cas de l’utilisation de la machine synchrone à aimant permanent à double étoile (MSAPDE) ou la machine asynchrone double stator ou la MASDE ou la MADA ou encore la machine synchrone à rotor bobiné. 1.3. OBJECTIFS ET CONTRIBUTIONS SOUHAITES Notre travail est une continuation des travaux déjà faits dans ce domaine où l’on prend leurs connaissances et leurs résultats comme des outils nous aidant efficacement d’avoir des résultats en essayant qu’ils soient mieux qu’on puisse l’avoir que ce soit du coté technique ou économique, car notre tâche est consacrée à l’utilisation de la machine synchrone à rotor bobiné MSRB. Cette machine est la plus utilisée pour la production d’énergie et actuellement installée dans la plupart des centrales de production, influant sur le circuit d’excitation pour produire dans le stator des tensions capables de filtrer les harmoniques existantes dans le réseau et particulièrement les 2 harmoniques les plus gênants d’ordres 5 et 7. 1.4. ORGANISATION DU MEMOIRE Ce mémoire est composé de 4 chapitres organisés comme suit : Le premier chapitre est consacré à une introduction générale où on présente une étude bibliographique puis on pose le problème et on présente les objectifs de ce travail de recherche, nos contributions souhaitées ainsi que la structure d’organisation de ce mémoire. Le deuxième chapitre est consacré à l’étude des systèmes de filtrage et de la qualité d’énergie, leurs différents types et topologies, leurs principes et leurs bases de fonctionnement, leurs avantages et leurs inconvénients avec la comparaison entre les différentes techniques. Pour que l’étude soit précise 10 Introduction et robuste, on voit que la modélisation de la machine synchrone à rotor bobiné (MSRB) est primordiale avec la tenue en compte des circuits d’amortisseur et la présence des harmoniques de temps où on la met comme l’objet du troisième chapitre. Quant au quatrième chapitre, il est consacré à la commande et à la régulation de la compensation et aux travaux de simulation. Enfin, une conclusion générale et des perspectives sont présentées. 11 CHAPITRE 2 SYSTEMES DE FILTRAGE 2.1. INTRODUCTION Les producteurs d’énergie électrique font de grands efforts afin de fournir aux clients une énergie de qualité dont laquelle l’onde électrique a une forme de tension sinusoïdale avec une amplitudes et une fréquence préétablies, d’une manière permanente, même dans les circonstances qui empêchent d’assurer cet objectif. Ceci est dû, principalement, à la présence significative des équipements polluants de divers types et surtout les charges non linéaires basées sur les équipements d’électronique de puissance. Cependant, cet objectif semble idéal et n’est jamais facile à assurer, car le réseau électrique est appelé à fonctionner dans un environnement, de plus en plus, agressif. Afin d’éviter le dysfonctionnement, voire la destruction des composants du réseau électrique ou des récepteurs finaux, il est indispensable de comprendre l’origine des perturbations et de chercher les solutions adéquates pour les supprimer, ou du moins les réduire. Nous commencerons, ce chapitre, par un exposé des principales perturbations affectant la qualité de l’onde électrique, notamment, les harmoniques lesquelles on s’y intéresse, particulièrement. Nous présenterons, également, leurs origines, leurs conséquences matérielles et les normes en vigueur. Nous discuterons, ensuite, les solutions envisagées pour pallier aux problèmes liés aux perturbations harmoniques. Les systèmes de filtrage, en particulier le filtrage actif et dynamique, basés sur la machine synchrone à rotor bobiné. 2.1.1. DEFINITION DES SYSTEMES DE FILTRAGES Un système de filtrage est l’ensemble des composants et des techniques utilisés pour produire un système capable d’absorber, d’injecter, ou de court-circuiter des harmoniques existant dans un circuit ou dans un réseau électrique. 2.1.2. ROLE D’UN SYSTEME DE FILTRAGE Un système de filtrage a pour objet l’amélioration de la qualité de l’énergie fournie par une source ou absorbée par une charge par l’amélioration du facteur de puissance « l’élimination des harmoniques perturbateurs ». 2.2. QUALITE DE L’ENERGIE ELECTRIQUE La qualité de l’énergie électrique est, étroitement, liée à la qualité de l’onde de tension. Cette dernière est caractérisée par une onde de forme parfaitement sinusoïdale ; absence de distorsions, 12 Systèmes de filtrage de pics, de creux…etc. Des phases équilibrées et parfaitement symétriques en amplitude et en phases, ayant une valeur efficace dans les limites tolérées de fréquence stable. Ceci assure un facteur de puissance dans des limites tolérables. La qualité d’énergie peut être affectée (dégradée) par la présence avec l’onde fondamentale que soit des signaux harmoniques, inter harmoniques ou infra harmoniques. 2.3. PERTURBATIONS ET LEURS CONSEQUENCES Les perturbations internes ou externes au réseau ont, toutes, un pouvoir de modifier d’une manière transitoire ou permanente en amplitude et/ou en forme les grandeurs électriques du réseau (courant, tension, fréquence). Selon leurs conséquences sur les grandeurs électriques les perturbations peuvent être classées selon 2 critères : La durée de leur persistance, ou leur mode d’affectation. Ainsi, selon la première classification, on a 2 types de perturbations : périodiques ou apériodiques. La principale source de la présence des harmoniques dans les réseaux électriques est l’utilisation, de plus en plus, croissante d’équipements de l’électronique de puissance à base de thyristors et transistors comme les variateurs de courant. Les inter harmoniques sont superposés à l’onde fondamentale mais ne sont pas des multiples entiers de la fréquence du réseau. L’apparition des inters harmoniques est en pleine croissance. Leurs origines principales sont les convertisseurs de fréquence, les variateurs de vitesse et d’autres équipements similaires de contrôle. Les infra harmoniques sont des composantes sinusoïdales qui sont à des fréquences inférieures à celle du fondamental 10 [Hz], 20 [Hz], …, etc. La présence de tels types d’harmoniques est due à des variations périodiques ou aléatoires de la puissance absorbée par certains récepteurs comme les cyclo-convertisseurs et les variateurs de vitesse. 2.3.1. PERTURBATIONS DUES AUX FLUCTUATIONS DE LA FREQUENCE Les variations de la valeur nominale de la fréquence (50/60[Hz]) qui résultent des variations des vitesses des alternateurs suite à un déséquilibre entre les charges et les puissances mises en jeux par les centrales caractérisent les fluctuations de fréquence qui se manifestent par des perturbations de vitesse et des couples dans les machines synchrones et asynchrones. Parfois, elles mènent à l’arrêt du système. Il est à noter que ce type de perturbations concerne les réseaux de transport et de répartition de l’énergie. Par conséquent, dans l’étude des perturbations ceci est rarement tenu en compte. 13 Systèmes de filtrage 2. 3.2. PERTURBATIONS DUES AUX CREUX DE TENSION On appelle creux de tension toute diminution de la tension à une valeur située entre 1 et 90 %, de la tension nominale, pendant une durée allant de 10 [ms] jusqu’à 1 [min]. Il est caractérisé par sa profondeur ∆U et sa durée ∆T. Par ailleurs, on peut noter qu’une coupure brève n’est qu’un cas particulier du creux de tension. Sa profondeur est supérieure à 99 % [1]. Les principales causes des creux de tension sont les perturbations dues à l’exploitation des réseaux comme la mise sous tension de gros transformateurs, les courts-circuits, les enclenchement des condensateurs, le simple démarrage de gros moteurs,..., etc. Ils ont comme effets des perturbations sur les couples pour les machines tournantes, étant donné qu’ils dépendent du carré de la tension, sur les perturbations d’appareillage électronique, caractérisés par les pannes intempestives, . . ., etc. 2.3.3. PERTURBATIONS DUES AUX VARIATIONS DE LA VALEUR EFFICACE Des variations de basse fréquence de la tension efficace sont dites des fluctuations de tension. Ces variations, désignées communément comme un effet fliker, ont une amplitude modérée (10 %). Mais, ils peuvent se produire plusieurs fois par seconde. Elles peuvent être cycliques ou aléatoires. De grosses charges dont la puissance est absorbée d’une manière aléatoire comme les fours à arc, les machines à souder sont les causes de cette perturbation. 2.3.4. PERTURBATIONS DUES AUX DESEQUILIBRES DU RESEAU Lorsqu’on enregistre en régime permanent, des asymétries d’amplitudes et de déphasages des tensions de phases, il y a un déséquilibre dans le réseau. Ceci est dû, essentiellement, aux asymétries d’impédances des lignes du réseau ou des charges et au court-circuit monophasé ou biphasé. Elles peuvent être caractérisées par un taux de déséquilibre défini comme étant le rapport entre le module de la composante inverse et celui de la composante directe : X a a X b aX c 2 x X a aX b a X c 2 100% X ab aX bc X ab a X bc 2 100% (2.1) 2.4 PERTURBATIONS HARMONIQUES Cette famille de perturbations est, à l’origine, une conséquence des systèmes d’électronique de puissance dans les équipements industriels (redresseurs, variateurs de vitesse...), et dans la transmission et la compensation d’énergie (HDVC, STATCOM...), et même dans nos besoins domestiques. En effet, la grande majorité des charges sont raccordées au réseau de distribution à travers ces systèmes. Ces charges, connues sous le nom de charges non linéaires, absorbent des 14 Systèmes de filtrage courants non sinusoïdaux. La figure 2.1 illustre l’allure du courant absorbé pour une charge non linéaire (redresseur non commandé). Courant [A] temps [ms] Fig.2.1. Courant absorbé par un redresseur à diode. La façon la plus simple pour représenter un courant non sinusoïdal est de considérer sa série de Fourier jusqu’à un rang significatif, c’est-à-dire en représentant les fréquences discrètes qui composent ce signal avec une précision souhaitée et une complexité acceptée. Dans ce cas-là, le courant absorbé par les charges non linéaires peut être, généralement, modélisé comme l’addition de plusieurs sources de courant : une pour chaque composante fréquentielle, mise en parallèle comme le montre la figure 2.2 [2]. ih ( t ) i0 i1 ... in I 0 I 1 cos( 1t 1 ) ... I n cos( n t n ) (2.2) i0 i1 i2 ih ir in Fig.2.2. Modélisation d’une charge non linéaire. 2.4.1. PRINCIPE DE PROPAGATION DES HARMONIQUES Dans la plus part des cas, les harmoniques, ont pour origine le courant. Mais, elles se propagent à travers le réseau selon la loi du diviseur de courant. Le courant et la tension étant couplés à travers la notion d’impédance, Il se trouve que la tension est affectée à son tour par les distorsions harmoniques plus ou moins sévères selon l’impédance du réseau. Ceci influe sur les charges saines voisines. En réduisant le couplage entre la tension et le courant (impédance du 15 Systèmes de filtrage réseau) on réduit l’effet des harmoniques de courant sur la tension. Cela exige des modifications importantes. Il est, parfois, très délicat à le réaliser. 2.4.2. CARACTERISATION DES PERTURBATIONS HARMONIQUES Les harmoniques sont plus souvent caractérisées par le taux de distorsion harmonique, THD, défini comme suit : THD N h2 (Xh) 2 100% (2.3) X1 N étant habituellement pris égal à 40 correspondant à l’harmonique de fréquence 2 [kHz]. Il va de soit que la répartition spectrale complète, généralement, l’information sur le THD [1]. Le taux de distorsion défini par la norme CEI représente le rapport entre la valeur efficace des harmoniques et la valeur efficace du fondamental « signal non déformé » [3]. 2.4.3. EFFETS DES PERTURBATIONS HARMONIQUES Bien que la susceptibilité des différents appareils soit diversifiée à l’égard des harmoniques, on distingue, essentiellement, 2 sortes d’effets : Des effets instantanés qui apparaissent, immédiatement, sur les équipements influents sur les systèmes électroniques et électromécaniques et ont des effets électrodynamiques et peuvent aussi affecter les systèmes de télécommunication. Des effets à terme qui se manifestent après une exposition, plus ou moins, longue à la perturbation harmonique. L’effet le plus important se traduit par l’échauffement qui conduit à une fatigue prématurée du matériel, des lignes et entraînent, souvent, au déclassement des équipements. 2.4.4. INFLUENCE DES HARMONIQUES SUR LE FACTEUR DE PUISSANCE En présence d’harmonique, le facteur de puissance est dégradé. Dans cette situation les tensions et les courants peuvent être exprimés sous forme de séries de Fourier comme suit : v (t ) V h s in ( h t h ) h 1 i (t ) I h s in ( h t h ) (2.4) (2.5) h 1 Les valeurs efficaces de tension et de courant sont données par : V e ff V h 1 2 h e ff (2.6) 16 Systèmes de filtrage I eff Ih 2 eff (2.7) h 1 La puissance moyenne est déterminée par : Pm oy V h eff I h eff cos( h h ) (2.8) h 1 Les taux de distorsion en tension et en courant sont : TH Dv T H Di h2 Vh 2 eff 100% (2.9) V1 eff Ih h2 2 eff (2.10) 100% I 1 eff Par identification des équations (2.6) avec (2.9) et (2.5) avec (2.10), nous pouvons écrire : V eff V1 eff 1 (T H D v / 1 0 0 ) I eff I 1 eff 1 (T H D i / 1 0 0 ) 2 (2.11) (2.12) 2 Fp Ordre harmonique Fig.2.3. Effet des harmoniques sur le facteur de puissance [1]. Le facteur de puissance peut être exprimé, alors, sous la forme suivante : Fp Pm oy V1 eff I 1 eff 1 [1 (T H D v / 100) ] [1 (T H D i / 100) ] 2 2 (2.13) L’équation (2.13) montre que le facteur de puissance en présence d’harmoniques est dégradé par un cœfficient dépendant des taux de distorsion en tension et en courant. 17 Systèmes de filtrage La figure 2.3 illustre la dégradation du facteur de puissance en fonction du taux de distorsion en courant pour 2 cas : tension purement sinusoïdale, et tension perturbée. D’autre part, les pertes Joule sont définies comme suit : R(P Q ) 2 p j RI 2 eff V 2 2 eff RP V 2 eff 2 (1 tan ) 2 (2.14) En identifiant les équations (2.13) et (2.14), on peut approximer les pertes Joule en fonction des taux de distorsion : P j R I 1 eff [1 (T H D v / 100) (T H D i / 100) ] 2 2 2 (2.15) L’équation (2.15) est schématisée par la figure 2.4. On peut, effectivement, remarquer que les harmoniques augmentent significativement les pertes Joules. Pj Ordre harmonique Fig. 2.4. Effet des harmoniques sur les pertes Joule [1]. 2.4.5. NORMES CONCERNANT LES PERTURBATIONS HARMONIQUES L’objectif des normes et des réglementations est de limiter les dysfonctionnements occasionnés par les harmoniques. Les 2 principaux organismes de normalisation internationaux dans ce domaine sont la CEI (Comité d’Electrotechnique Internationale) et IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Nous nous contentons de donner les normes CEI et en particulier les normes : IEC 61000-3-2 : Cette norme, représentée sur le tableau 2.1, fixe la limitation des courants injectés dans le réseau public pour des équipements dont le courant par phase est inférieure à 16 [A]. Il s’agit là des appareils du domaine domestique. IEC 61000-2-2 : Etablir les niveaux de compatibilité de tensions harmoniques sur les réseaux publics basse tension. Cette norme vise à protéger les équipements raccordés sur un réseau basse tension déformé. 18 Systèmes de filtrage Tab.2.1.Normes des courants harmoniques admissibles Harmoniques impairs Courant maximal admissible [%] 3 5 7 9 11 13 15 ≤ h ≤ 39 2.30 1.14 0.77 0.40 0.33 0.21 0.15.(15 / h) Harmoniques pairs 2 4 6 8 < h < 40 Courant maximal admissible [%] 1.08 0.43 0.30 0.23.(8 / h) 2.5. SOLUTIONS PERMETTANT L’AMELIORATION DE LA QUALITE D’ENERGIE L’amélioration de la qualité de l’énergie a pour objectif d’éliminer les perturbations agissant sur les charges là où le niveau de la qualité n’est pas suffisamment élevé. Quand les coûts et les inconvénients de son dysfonctionnement sont inacceptables. L’aspect de la qualité de l’énergie étant très large. Son amélioration s’étend à l’amélioration de plusieurs facteurs comme : L’architecture du réseau. Les automatismes de réalimentation. Le niveau de fiabilité de ses ouvrages. Leurs protections et leurs maintenances. Pour ce faire, il existe 2 stratégies : L’une basée sur la modification des caractéristiques des charges perturbatrices, ou du réseau, ou encore le remplacement des sources classiques de pollution par des topologies à prélèvement sinusoïdal afin d’éviter leurs apparitions. L’autre consiste à compenser ces perturbations par l’utilisation de l’un des systèmes de compensation disponible. 2.5.1. SOLUTION BASEE SUR LA METHODE DE MODIFICATION DE STRUCTURE Cette stratégie consiste à renforcer le réseau ou à diminuer l’impédance totale en amont de la charge non linéaire. Par la réduction des tensions harmoniques générées par les harmoniques de courant, et donc de diminuer le taux de distortion harmonique en tension aux points de racordement. 19 Systèmes de filtrage Cette stratégie vise à remplacer les redresseurs simples, par des structures complexes permettant d’augmenter l’indice de pollution des courants de sortie, offrant des courants plus lisses du coté de la charge et permettant la réduction de la déformation du courant du coté amont. Un exemple typique de ces structures est donné sur la figure 2.5. Il s’agit d’un montage dodécaphasé parallèle à thyristors. + - Fig.2.5. Redresseur dodécaphasé parallèle. 2.5.2. SOLUTION BASEE SUR LA METHODE DE COMPENSATION Théoriquement, le principe de compensation est simple. Il consiste à superposer à la source de perturbation une autre source d’énergie capable d’absorber ou de compenser les composantes non souhaitées. Ces systèmes sont, généralement, des compensateurs d’harmoniques et/ou d’énergie réactive placés, selon la nature de la perturbation à éliminer, en dérivation ou en série avec le réseau ou avec la charge à protéger. Ces compensateurs sont, généralement, des filtres d’harmoniques qui peuvent être passifs, actifs ou encore hybrides. Le développement accru de l’électronique de puissance a permis d’améliorer l’efficacité de ces 2 derniers types d’où leur généralisation. Nous présenterons, ici, les principaux types de filtres, en particulier les filtres actifs d’harmoniques, en mettant l’accent sur leur contribution à l’amélioration de la qualité de l’énergie. 2.6. SYSTEMES DE FILTRAGE DES HARMONIQUES 2.6.1. FILTRAGE PASSIF Le filtrage passif consiste à placer en parallèle sur le reseau d’alimentation une impédance de valeur très faible autour de la fréquence à filtrer et suffisament importante à la fréquence fondamentale du réseau. Ainsi, pour filtrer un courant à une fréquence particulière, un filtre résonnant série est placé en parallèle sur le réseau. Cependant, ce type de filtre est très sélectif. 20 Systèmes de filtrage Pour atténuer tout une bande de fréquences, un filtre passif amortie du second ordre est préférable. Le dimensionnement de ces filtres dépend des harmoniques à éliminer, des performances exigées, de la structure du réseau et de la nature des recepteurs. Par cette technique, il est, en général, plus facile de rejeter les harmoniques de rangs élevés que celles de rangs faibles.],[ ] Malgré sa large utilisation dans l’industrie, ce dispositif simple a tout de même certains inconvénients qui résident dans la necessité de la connaissance approfondie de la configuration du réseau. De même, les variations de l’impédance des réseaux peuvent détériorer les performances du filtre. Ainsi, le réseau peut former un système résonant avec le filtre et les fréquences voisines de la fréquence de résonance peuvent s’amplifier,…etc. C’est une solution classique pour l’amélioration de la qualité d’energie qui repose sur le principe de piéger les harmoniques dans des éléments passifs (R, L, C) connectés, en dérivation au réseau, formant des impédances dont la fréquence de résonance est accordée à celle de l’harmonique de courant que l’on veut atténuer ou éliminer. Ainsi, plusieurs filtres passifs, connectés en parallèle, peuvent être nécessaires pour filtrer plusieurs composantes (Fig.2.6). is Source ich Zs Charge polluante Har3 Har5 Har k Fig.2.6. Principe de filtrage passif. 2.6.2. FILTRAGE ACTIF Fournir aux consommateurs une bonne qualité de l’énergie électrique, même dans les conditions de fonctionnement les plus perturbées. Les inconvénients inhérents aux solutions traditionnelles de dépollution ont conduit à concevoir une nouvelle structure de filtrage plus flexible, moderne et efficace appelée filtrage actif. Ce dernier est capable de s’adapter avec l’évolution de la charge. Ceci est rendu possible grâce à l’évolution de l’électronique de puissance, notamment en ce qui concerne les semi-conducteurs de puissance, comme les thyristors GTO et les transistors IGBT . Le but de ces filtres est de générer soit des courants , soit des tensions harmoniques de manière à compenser les perturbations responsables de la dégradation des performances des équipements et des installations électriques.[ ],[ ],[ ] 21 Systèmes de filtrage a. Structure d’un filtre actif Réseau électrique Partie puissance Filtre de sortie Commande de l’onduleur de tension Régulation du courant injecté Système à PLL Elément de stockage Onduleur Méthode d’identification du courant perturbé Partie contrôle (commande) Régulation de la tension continue Fig.2.7. Structure générale du filtre actif de puissance. Un filtre actif est constitué d’un circuit de commande et d’un circuit de puissance. Au cœur de ce dernier circuit de puissance, un onduleur, généralement, de tension est ajouté à ceci un système de stockage d’énergie et éventuellement des filtres passifs (Fig.2.7). a b a. Onduleur avec 3 bras b. Onduleur avec 4 bras Fig.2.8. Onduleur de tension triphasé à 4 fils. b. Topologies de filtrage Il existe 4 principaux types de topologies de filtrage : série, shunt, universelle qui n’est autre qu’une combinaison des 2 premières et hybride. 22 Systèmes de filtrage 1. Filtrage actif série Le filtre actif série se comporte comme une source de tension qui s’oppose aux tensions perturbatrices (creux, déséquilibre, harmonique) provenant de la source et également celles provoquées par la circulation des courants perturbateurs à travers l’impédance du réseau. Ainsi, la tension aux bornes de la charge à protéger est purement sinuoïdale. Toutefois, cette topologie présente quelques difficultés et inconvénients lors de sa mise en œuvre.,[ ],[ ] Le but d’un filtrage actif série est de garantir une qualité d’onde de tension. Son principe consiste à superposer une certaine tension Vc à l’onde perturbée, afin que la tension résultante soit dans les limites tolérées. En revanche, il ne permet pas de compenser les courants harmoniques consommés par la charge. La figure 2.9 représente la configuration d’un filtre série à structure tension ; l’onduleur de tension est accordé au réseau à travers un filtre LC et un transformateur de courant, disposant d’une source continue qui doit être dimensionner de manière à générer la tension nécessaire pendant la durée de perturbation. Fig.2.9. Filtrage série à structure en tension. 2. Filtrage actif shunt Le filtre actif connecté en parallèle sur le réseau est le plus souvent commandé comme un générateur de courant. Il injecte dans le réseau des courants perturbateurs égaux à ceux absorbés par la charge polluante, mais en opposition de phase avec ceux-ci. Le courant coté réseau est alors sinusoïdal et en phase avec la tension simple correspondante. Ainsi, le but d’un filtrage actif shunt est de découpler les perturbations provoquées par des charges polluantes du réseau électrique. Dans le cas général, le courant absorbé par une charge perturbatrice comporte une composante active ichactif et une composante réactive ichreactif fondamentales, et une composante harmonique qui est la somme de tous les harmoniques. Ainsi, pour assurer une parfaite compensation des perturbations imposées par celle-ci, on doit avoir : 23 Systèmes de filtrage i s ic h a c tif ic ic h re a c tif (2.16) N h2 ic h h (2.17) La figure 2.10 montre la configuration du filtre shunt à structure tension ; l’onduleur est raccordé au réseau à travers un filtre inductif et éventuellement un transformateur, se comportant comme une source de courant controlée par rapport au réseau électrique. La capacité C joue le rôle d’une source de tension. La tension à ses bornes VDC doit, obligatoirement, être régulée, car d’éventuelles variations de VDC provoqueront l’apparition d’un courant actif dans le filtre permettant d’injecter ou de prélever de l’énergie de la capacité C. [ ],[ ] Fig.2.10. Filtrage shunt à structure en tension. 3. Filtrage universel Ce filtrage est, aussi, appelé combinaison parallèle-série actif ou Unified Power Quality Conditioner (UPQC). C’est une solution de compensation universelle résultant de l’association de 2 filtres actifs série et parallèle qui est, en principe, basée sur le fonctionnement simultané des filtres actifs parallèle et série. Cette nouvelle topologie (UPQC) possède les avantages cumulés des filtres actifs parallèle et série. Le filtre actif série, lorsqu’il est placé en amont du filtre actif parallèle comme montré sur la figure 2.11, permet de dépolluer la source des tensions perturbatrices. Lorsqu’il est placé en aval, il permet d’isoler la charge de la source perturbée. [ ],[ ] Fig.2.11. Filtrage universel. 24 Systèmes de filtrage 4. Filtrage hybride Afin de réduire le dimensionnement et par conséquent le prix des filtres actifs, l’association de filtres actifs de faible puissance à des filtres passifs peut être une solution dite hybride. Le filtre passif prend en charge la compensation d’une grande partie des harmoniques. Par contre, les filtres actifs maintiennent les performances de filtrage en fonction de la charge et de son évolution. Une telle combinaison avec le filtre passif permet de réduire, considérablement, l’estimation du filtre actif. Plusieurs configurations existent : Composition des filtres actifs séries avec des filtres passifs parallèles. Composition des filtres actifs séries connectés en série avec des filtres passifs parallèles. Association des filtres actifs parallèles avec un filtre passif parallèle. Les 2 principales configurations utilisés sont représentées sur la figure 2.12. [ ] ] a a. Filtre actif série avec un filtre passif parallèle. b b. Filtre actif en série avec un filtre passif. Fig.2.12. Structures hybrides. 25 Systèmes de filtrage c. Structures de raccordement des filtres On distinge 3 principaux structures de raccordement des filtres. On utilise un seul filtre pour : le filtrage de toute les charges du réseau. Pour le filtrage de chaque type de charge. Raccorder des filtres pour des groupes de charges. Près de la source de production d’énergie électrique, on utilise la configuration de la figure.2.13. [ ], Fig.2.13. Filtre actif triphasé installé prêt de la source. Par contre, pour compenser chaque charge, indépendamment, on peut utiliser la configuration de la figure 2.14. Fig.2.14. Filtre actif monophasé installé pour compenser chaque charge. Comme on peut utiliser la configuration présentée par la figure 2.15 pour compenser un groupe de charges en même temps. Fig.2.15. Filtre actif monophasé installé pour compenser un groupe de charges. 26 Systèmes de filtrage Ce sont les 3 types les plus reconnus qui peuvent etre utilisés pour le filtrage des harmoniques engendrés par la présence des charges non linéaires au niveau des consommateurs ou au niveau des producteurs. [ ],[ ] d. Comparaison entre les différentes topologies de filtrage actif Le tableau 2.2 récapitule les avantages et les inconvénients des 3 configurations de filtrage actif. Le filtrage série présente l’avantage d’améliorer la qualité de l’onde de tension, et permet de fournir une énergie de qualité. Cependant, il ne permet pas d’éliminer les harmoniques engendrées par les charges non linéaires. Par contre, le filtrage shunt permet de les éliminer et de contrôler le courant absorbé du réseau. Par conséquent, il réduit les déformations de l’onde de tension causées par la circulation des composantes harmoniques de courant. Par ailleurs, le filtre universel permet de cumuler les avantages des 2 configurations. Cependant, il est difcile à réaliser en pratique. Par ailleurs, les normes de qualité de l’énergie sont plutôt portées sur la compensation des harmoniques. Pour ces raisons, le filtrage actif shunt est considéré le plus important dans ce sens. Tab.2.2. Avantages et inconvénients de chaque topologie de filtrage . Topologie Avantages Amélioration de la forme de tension. Filtre actf série Amélioration de la forme de courant et de tension. Filtre actif shunt Amélioration du facteur Inconvénients Pas d’amélioration de la forme de courant. Amélioration de la forme de tension pas toujours évidente de puissance. Amélioration de la forme Réalisation difficile du courant, amélioration de la forme de la tension. Filtre universel Adaptabilité aux variations de charges et du réseau. 2.6.3. FILTRE DYNAMIQUE Une des solutions permettant la réduction de la pollution harmonique dans un réseau, est la mise en place d’un générateur à excitation commandée de telle sorte que le champ inducteur sera 27 Systèmes de filtrage responsable de la création, non seulement d’une composante fondamentale de la f.e.m principale de la machine, mais aussi d’une f.e.m harmonique dont le rôle est de neutraliser, autant que possible, les harmoniques perturbatrices provenant soit, d’une charge non linéaire (harmonique du temps), soit de la machine elle-même (harmonique de construction). On distingue (en 1995) dans [4], une structure de compensation des harmoniques basée sur une machine à double alimentation selon le principe illustré dans la figure 2.16 Fig.2.16. Structure d’un filtre dynamique d’harmoniques basé sur une MADA [4]. D’autres structures basées sur des machines spéciales sont presntées dans [5] comme la machine AACWSM (asymmetric air gap concentred winding) où la machine IDEA (Integrated doubly fed electric alternator active filter). Une autre possibilité est le placement d’un bobinage supplémentaire sur l’axe q d’un générateur synchrone, s’il s’agissait de l’amélioration de la stabilité du générateur (notamment lorsqu’il est connecté à un pont redresseur). Ce bobinage devrait être court-circuité, mais comme il est utilisé pour la minimisation des harmoniques, cet enroulement additionnel est normalement alimenté par une source alternative à une fréquence 6 fois supérieure à celle du fondamentale. Cette structure basée sur la machine synchrone à aiment permanent double stator a été proposée dans [6]. Cette structure, qui semble possible, surtout dans le cas des MSAP, est le générateur à double étoile, un des 2 bobinages (bobinage principal) fonctionne en générateur principal, tandis que la 2eme étoile est connectée à un convertisseur statique permettant le contrôle des grandeurs électriques de cette étoile. A l’aide d’une commande adéquate des courants et des tensions du 2eme stator, ce dernier pourra jouer le rôle, par effet mutuel, d’un filtre pour les harmoniques existants 28 Systèmes de filtrage dans le premier bobinage. Contrairement aux structures nécessitant un bobinage rotorique, l’effet de la deuxième étoile sur le premier est réparti sur les 2 axes de la machine. En plus, les contraintes liées au bobinage rotorique additionnel (contacts glissants, difficultés de réalisation de ce bobinage) sont éliminées. Cette structure constitue la solution dans le cas d’utilisation d’une machine synchrone à aiment permanent à double stator comme filtre actif. D’autres structures des filtres dynamiques sont proposées dans la littérature. Où la structure la plus intéressante dans notre cas est l’utilisation de la machine synchrone à rotor bobiné comme filtre dynamique. On propose de faire une simple variation sur le circuit d’excitation de la machine pour qu’il puisse produire dans le bobinage statorique, non seulement, la composante fondamentale de la f.e.m induite mais, de faire générer aussi des f.e.m de fréquences et d’amplitudes contrôlables constituant des composantes harmoniques en opposition de phase avec celles existantes dans le réseau, créées par les charges non linéaires, pour les compenser. Parmi ces structures proposées dans la littérature, on cite quelques exemples illustrés dans les références où on trouve dans [7] une structure d’un filtre actif d’harmoniques basée sur la machine synchrone selon le principe présenté dans la figure 2.17 Fig. 2 .17. Schéma d’un filtre actif électromécanique d’harmoniques [7]. Une autre structure basée sur la machine synchrone à rotor bobiné a été proposé dans les références [8]-[9]. Celle-ci est présentée dans la figure 2.18. 29 Systèmes de filtrage a b Fig.2.18. Structure d’un système de compensation des harmoniques par la MS [8]-[9]. Des structures permettant d’exploiter la puissance des machines de production pour recouvrir la demande caroissante de l’energie de compensation et servant à nutraliser les r éseaux électriques des perturbations harmoniques indésérables et, aussi, améliorant la qualité de l’energie fournit au client. 2.7. CONCLUSIONS Dans ce chapitre, nous avons présenté les principales perturbations qui peuvent prendre naissance dans les réseaux de distribution, leurs origines et leurs conséquences sur les équipements essentiels existant dans le réseau, et dans les installations industrielles. Nous avons aussi présenté les diférents systèmes de filtrage des harmoniques notament le filtrage passif, le filtrage actif et ses différentes structures; série, shunt, et universel. Finalement, une nouvelle structure a été presentée, à savoir, le filtre dynamique et notament le filtrage dynamique par la machine synchrone à rotor bobiné. Cette structure sera considérée avec plus d’attention dans les prochains chapitres. 30 CHAPITRE 3 MODELISATION DE LA MACHINE SYNCHRONE AVEC ET SANS AMORTISSEUR 3.1. INTRODUCTION La modélisation des machines est la description mathématique de la conversion électromagnétique d’énergie par des modèles mathématiques (ensembles des équations différentielles et algébriques). Dans ce cas, on fait recours aux équations de Maxwell. Sur l’aspect commande, un modèle basé sur les équations de circuit est, en général, suffisant pour faire la synthèse de la commande. La simplicité de la formulation algébrique conduit à des temps de simulations courts avec une précision acceptable. Dans ce chapitre, nous présenterons le modèle de Park de la machine synchrone à inducteur bobiné à pôles saillants sans et avec amortisseurs. Des extensions seront apportées à ce modèle de manière à prendre en compte la présence des harmoniques de tension dans le circuit de l’inducteur qui engendre ensuite des harmoniques dans le bobinage statorique. Ces derniers seront exploités pour différentes applications comme le filtrage actif des harmoniques de temps présentes dans un réseau électrique. 3.1.1. TYPES DE MODELISATION Dans la littérature, nous discernons, principalement, 3 approches concernant la modélisation des machines électriques. Selon leur degré de complexité croissant, nous avons : La modélisation de Park. La modélisation par réseaux de perméances. La modélisation par éléments finis. Le choix du modèle à utiliser dépend de l’application où le but recherché de cette modélisation est compris entre la précision et la vitesse de calcul. a. Modélisation de Park La modélisation de Park est construite à partir des équations électriques de la machine. Ce modèle fait un certain nombre d’hypothèses simplificatrices : L’induction dans l’entrefer est sinusoïdale. La saturation du circuit magnétique est négligée. Les pertes fer, les harmoniques d’encoches et d’espaces ne sont pas pris en compte. 32 Modélisation de la machine synchrone avec et sans amortisseur En raison de la simplicité de la formulation algébrique, ce type d’approche est bien adapté à l’élaboration d’algorithmes de commande. b. Modélisation par réseaux de perméances (globaux ou de Kirchhoff) La modélisation par réseaux de perméances permet d’obtenir une meilleure précision avec un coût de calcul inférieur aux modèles basés sur la méthode par éléments finis. Cela consiste à modéliser le circuit magnétique de la machine par un schéma électrique équivalent. La principale difficulté de la modélisation par réseaux de perméances se situe au niveau de la représentation de l’entrefer de la machine. L’erreur de modélisation est très sensible au modèle utilisé pour la perméance d’entrefer. Cette méthode constitue un intermédiaire entre la modélisation de Park et la modélisation par éléments finis. Elle est inadéquate pour la formulation d’une commande. Mais, elle semble très intéressante pour tester la robustesse des algorithmes. En outre, elle peut contribuer à l’estimation des paramètres de la machine. Donc, il est basé sur les lois des circuits électriques. Ce type de modèle est utilisé pour la modélisation des comportements des machines lors d’un fonctionnement quelconque : régime permanent, régime transitoire et commande des machines électriques. c. Modélisation par éléments finis (locaux ou Maxwell) Ce type de modélisation est le plus précis. Hélas, les temps de calculs offerts par cette approche sont rédhibitoires dans un contexte de commande de machines électriques. Néanmoins, lors d’un dimensionnement ou lors d'une estimation de paramètres de la machine, sa précision justifie son utilisation. Des logiciels tels que Flux2D permettent la modélisation par éléments finis des dispositifs électromagnétiques. Ce type d’approche est, également, utilisé lors d’un dimensionnement de machines électriques, ou bien pour l’ajustement des paramètres d’un modèle par réseaux de perméances. Il est basé sur les lois d’électromagnétiques qui décrivent le comportement interne de la machine. Ce type de modèle est utilisé par les constructeurs de machines électriques dans la conception assistée par ordinateur. 3.1.2. CHOIX DU TYPE DE MODELISATION Pour l’élaboration de stratégies de commande, il faut trouver un compromis entre la complexité et la précision de la modélisation. Notre choix s’est dirigé vers le modèle de Park. 33 Modélisation de la machine synchrone avec et sans amortisseur 3.2. MACHINES SYNCHRONES Les machines synchrones se composent d'un rotor, qui est la partie tournante, et d'un stator, la partie fixe. L'appellation machine synchrone est due au fait que le rotor et le champ magnétique tournant au stator tournent à la même vitesse. Le stator est, généralement, constitué par 3 phases décalées de 120 degrés les unes des autres. Le rotor produit un champ magnétique dans l'entrefer avec des aimants permanents ou des bobines alimentées par un courant continu. Ces machines sont appelées, respectivement, machines synchrones à aimants permanents ‘MSAP’ et machines synchrones à rotor bobiné ‘MSRB’. Il y a différents types de structures de machines synchrones selon la forme de leur rotor. On peut les classer en 2 groupes : Celles qui se comportent comme des machines à pôles lisses et celles qui présentent des saillances. a b a. Machine synchrone à pôles lisses b. Machine synchrone à pôles saillants Fig. Fig.3.1. II-1Représentation : représentationdes desmachines machinessynchrones synchroneàapôles pôleslisses lisseset etsaillants. saillante La machine synchrone à rotor bobiné ‘MSRB’ est constituée d'un rotor qui comporte des bobines au lieu d'aimants permanents. On alimente ces bobines par des courants continus par l'intermédiaire de contacts glissants balais-bagues pour générer le flux magnétique inducteur dans l'entrefer. La machine à pôles lisses a une inductance constante quelle que soit la position du rotor. Par contre, la machine à pôles saillants a un entrefer magnétique variable suivant la position des pôles. Ceci entraîne une variation d'inductance. 3.3. MODELE DE LA MACHINE SYNCHRONE À INDUCTEUR BOBINE SANS AMORTISSEUR La modélisation de la machine synchrone fait l’objet de nombreuses études en moyenne et forte puissances. Cette machine est très utilisée dans l’industrie pour différentes applications : 34 Modélisation de la machine synchrone avec et sans amortisseur production d’électricité, traction électrique, traction ferroviaire et entraînements divers. Cette section concernera la machine synchrone à inducteur bobiné à pôles saillants sans amortisseurs. Elle présente l’avantage de disposer d’un degré de liberté supplémentaire par rapport à la machine asynchrone et à la machine synchrone à aimants. En effet, un circuit inducteur permet le réglage du flux d'excitation. 3.3.1. MODELE DE PARK En écrivant les équations de tensions en grandeurs de phase de la machine synchrone, on peut constater que le système d'équations n'est pas linéaire car certaines matrices d'inductances dépendent de la position relative du rotor par rapport au stator. Cela présente une difficulté pour la résolution du système d'équations. Afin de s’affranchir de cet obstacle, la transformation de Concordia est utilisée pour obtenir une formulation algébrique plus simple. Ainsi, les enroulements statoriques sont transformés en enroulements orthogonaux. Le repère de Park ainsi construit est un repère lié au rotor. 3.3.2. REPERE DE PARK Le tableau 3.1 décrit les différentes notations utilisées dans le repère de Park. Ce dernier est représenté sur la figure 3.2. Tab.3.1. Tableau récapitulatif des notations utilisées dans le repère de Park. Symbôles d Ev [V] id [A] iq [A] is [A] q Rs [Ω] vd [V] Description Axe direct Force électromotrice à vide Courant direct Courant en quadrature Module du courant statorique Axe en quadrature Résistance statorique Symbôles vq [V] vs [V] xd [Ω] xq [Ω] δ [rad] φ [rad] ψ [rad] Descriptions Tension en quadrature Tension statorique Réactance synchrone longitudinale Réactance synchrone quadrature Angle de charge (angle interne) Déphasage courant-tension Angle de déphasage interne Tension directe 35 Modélisation de la machine synchrone avec et sans amortisseur Fig.3.2. Diagramme vectoriel d’un moteur synchrone dans le repère de Park lié au rotor. 3.3.3. EQUATIONS DE LA MACHINE SYNCHRONE Cette section présente les différentes équations des tensions, des flux, et du couple électromagnétique issues de la modélisation de Park. a. Equations des tensions d d v d R s id v q R s iq dt d q vf Rf if dt df r q r d dt (3.1) (3.2) (3.3) b. Equations des flux d L d id M i f q L q iq (3.4) (3.5) f L f i f M id (3.6) c. Equation du couple électromagnétique C em p d id q id pid iq ( L d L q ) M piq i f f r j dr dt C em C r (3.7) (3.8) 36 Modélisation de la machine synchrone avec et sans amortisseur Dans ce cas, le frottement sec est négligé. d. Schéma équivalent de la machine synchrone à inducteur bobiné Les grandeurs rotoriques sont exprimées en fonction du coefficient d’équivalence statorrotor. De ce fait, nous définissons les différentes grandeurs ramenées au stator telles que les inductances de fuites, les inductances propres, les résistances, les tensions et les courants sont définis par : L d L d M ' L q L q M ' (3.9) (3.10) L f L f m M 2 ' M M ' (3.12) m vf ' vf (3.13) m if mif ' Rf ' L f ' (3.11) (3.14) Rf (3.15) 2 m L f m (3.16) 2 Les différentes grandeurs étant définies, le schéma équivalent de la machine synchrone à inducteur bobiné sans amortisseurs est présenté dans la figure 3.3. Fig.3.3. Schéma équivalent de la machine synchrone à inducteur bobiné. 37 Modélisation de la machine synchrone avec et sans amortisseur A partir du schéma équivalent de la figure.3.3, les équations des mailles peuvent être écrites. Ainsi, les équations en tension du modèle de Park présentées, précédemment, peuvent être retrouvées. Axe direct : did v d R s id r q L d d ( id i f ) ' M ' dt (3.17) dt En introduisant les grandeurs définies précédemment, l’équation (3.1) est déduite : d d v d R s id r q dt (3.18) Axe en quadrature : diq v q R s iq r d L q M diq (3.19) La même approche est effectuée pour l’axe en quadrature. Ainsi, l’équation (3.2) est déduite : v q R s iq d q dt dt dt r d Axe niveau rotor : v f R f i f L f ' ' ' ' di f ' d ( id i f ) ' M dt ' dt (3.20) 22220 2é2éé éà17 (3.21) La même approche est effectuée pour l’équation en tension du rotor. L’équation (3.3) est déduite : vf Rf if df dt (3.22) La section 3.4 va introduire le circuit d’amortisseur dans le modèle de Park. 3.4. MODELE DE LA MACHINE SYNCHRONE À INDUCTEUR BOBINE AVEC AMORTISSEUR 3.4.1. DESCRIPTION TECHNOLOGIQUE DU MS Fig.3.4. Représentation de la MSRB avec amortisseur dans le repère de Park. 38 Modélisation de la machine synchrone avec et sans amortisseur Une machine synchrone est constituée d’un : Inducteur alimenté en continu « excitation » tournant avec le rotor. Induit, généralement, triphasé fixé au stator. Le bobinage de l’inducteur peut être concentrique autour du noyau. C’est le cas des machines à pôles saillants. Il peut aussi être réparti dans des encoches situées dans un rotor cylindrique. La machine est dite à rotor lisse ou à pôle lisse. Le stator feuilleté pourvu d’encoches dans lesquelles sont distribuées les conducteurs d’un bobinage triphasé. Elle est excitée par un courant continu qui provient d’une machine à courant continu spéciale appelée excitatrice. Les machines synchrones de faibles puissances peuvent être à aiment permanent, sans enroulement d’excitation. On appelle machine synchrone, une machine dont la vitesse de rotation n [tr/mn] est liée à la fréquence f [Hz] du réseau par la relation : n f p p : Nombre de paires de pôles du stator. (3.23) 22220 2é2éé éà17 Dans cette partie, on considère une machine synchrone à pôles saillants ayant une paire de pôles au rotor et un enroulement statorique triphasé. L’enroulement inducteur se trouve dans le rotor de la machine selon l’axe de la saillance ‘d’ appelé axe direct « longitudinale » de l’enroulement f . La présence de la cage d’amortissement au rotor est représentée par 2 circuits amortisseurs équivalents : L’un situé sur l’axe direct « l’enroulement D » L’autre sur l’axe perpendiculaire appelé axe en quadrature de la machine « l’enroulement Q ». a. Enroulement d’amortissement Dans les alternateurs à pôles saillants, l’amortisseur est constitué par des barres posées dans des encoches pratiquées et fermées et débouchant sur l’entrefer par une ouverture étroite. Ces encoches se trouvent dans les pôles. Les barres sont, généralement, en cuivre. Leurs extrémités sont réunies par 2 segments en cuivre. 39 Modélisation de la machine synchrone avec et sans amortisseur Les segments des différents pôles sont reliés entre eux en constituant une cage. Dans les alternateurs à pôles lisses, la partie massive du rotor joue le rôle d’un amortisseur très efficace s’opposant aux variations de flux qui la traverse. Fig.3.5. Présentation de l’enroulement amortisseur d’une MSRB b. Rôle des amortisseurs Atténuer l’effet des harmoniques et leur génération. Limiter la détérioration par la réaction magnétique d’induit « RMI » de la répartition du flux résultant en charge et la forme d’onde de la f.e.m résultante. Jouer un rôle très important en cas de débit de l’alternateur sur une charge déséquilibrée et en cas de brusques variations de la charge. Etouffer le flux inverse et s’oppose à sa variation. 3.4.2. HYPOTHESES DE LA MODELISATION La saturation du circuit magnétique, l’hystérésis et les courants de Foucault sont négligeables « système linéaire ». Les résistances des enroulements ne varient pas avec la température. L’effet de peau ne varie pas en fonction du glissement ou la fréquence. Le rotor est saillant « L(θ) variable ». La distribution de la force électromotrice est sinusoïdale. 40 Modélisation de la machine synchrone avec et sans amortisseur 3.4.3. EQUATIONS DU MODELE a. Equations de tension 1. Du stator v as R s ias v b s R s ib s v cs R s ics d as dt (3.24) d bs dt d cs (3.25) dt (3.26) 2. Du rotor v Q R Q iQ vf Rf if v D R D iD d Q (3.27) 22220 2é2éé (3.28) éà17 dt df dt d D (3.29) dt b. Equations de couplage électromagnétique k a, b, c, Q , f , D k f ( ik ) ; k M (3.30) 33330 (3.31) 3024 j, k a , b, c, Q , f , D i , kj k a M aa ia M ab ib M ac ic M aQ iQ M af i f M aD i D b M ba ia M bb ib M bc ic M bQ iQ M bf i f M bD i D c M ca ia M cb ib M cc ic M cQ iQ M cf i f M cD i D Q M Q a i a M Q b ib M Q c i c M Q Q iQ M Q f i f M Q D i D f M fa ia M fb ib M fc ic M i M ff i f M fQ Q i fD D D M D a i a M D b i b M D c i c M D Q iQ M D f i f M D D i D (3.32) (3.33) 22220 (3.34) 2é2éé éà17 (3.35) (3.36) (3.37) Sous forme matriciel : L i L ss t sr L L sr L rs M L sr i s L rr ir (3.38) t i as i s ibs ; ics rs iQ r i r i fr i D r (3.39) 41 Modélisation de la machine synchrone avec et sans amortisseur L ss L aa L ba L ca L ab L bb L cb LaQ L ac L bc ; L sr L b Q L L cc cQ Laf Lb f L cf LaD Lb D L cD ; L rr LQ 0 0 0 Lf LDf 0 L fD L D (3.40) 3.4.4. CALCUL DES COEFFICIENTS DE LA MATRICE [Ls] a. Inductances propres statoriques Laa , Lbb , Lcc Si r 0 a m in L aa L q L m in Si r a m ax L a a L d L m ax 2 Si r a m in L q L m in Si r 3 2 a m ax Donc : L aa Lq Ld 2 Ld Lq 2 2 cos 2 r 3 (3.41) (3.42) 22220 (3.43) 2é2éé éà17 (3.44) 024 (3.45) De la même chose, on aura : L bb Lq Ld 2 Ld Lq 2 2 cos 2 r 3 et : L cc Lq Ld 2 Ld Lq 2 2 cos 2 r 3 (3.46) 22220 2é2éé éà17 (3.47) b. Inductances mutuelles stator-stator ab 3 r bc r ac 3 ab 0 r M ab M max Fig.3.6. Angles de déphasage entre les axes et les enroulements. 42 Modélisation de la machine synchrone avec et sans amortisseur L’épaisseur de l’entrefer ‘e’ est minimale. ab M ab M 2 ab M Car « e » est max m in est la même que L aa (périodique de période T ) En utilisant la série de Fourier, on aura : M ab M 0 M 2 cos(2 ab ) (3.48) Où M 0 représente la valeur moyenne et M 2 représente l’amplitude. M0 M2 M m ax M M m in m in (3.49) 2 M m ax (3.50) 2 M a b M 0 M 2 co s( 3 r ) M bc M 0 M 2 cos(2 bc ) M bc M 0 M 2 cos 2( r ) M ca M 0 M 2 cos 2( r ) 3 (3.51 (3.52) ) (3.53) (3.54) c. Inductances mutuelles stator-rotor 1. Enroulement q m a Q M a Q co s r m bQ M aQ 2 cos r 3 2 m cQ M aQ cos r 3 (3.55) )5555 (3.56) 548 (3.57) 2. Enroulement f m af M af sin r (3.58) 2 m bf M af sin r 3 (3.59) 2 m cf M af sin r 3 (3.60) 3. Enroulement D m aD M aD sin r (3.61) (3.62) 43 Modélisation de la machine synchrone avec et sans amortisseur 2 m bD M aD sin r 3 2 m cD M aD sin r 3 (3.63) d. Inductances propres rotoriques LQ , L D , L f : Constantes car le stator est lisse. 3.4.5. TRANSFORMATION DE PARK Dans les machines synchrones, le rotor est constitué de manière que les enroulements soient orthogonaux. A cet effet, il est avantageux de transformer l’enroulement triphasé « abcs » vers le référentiel qdo. Pour ce faire, on peut écrire : Fqdo s K s r . Fabc s r r (3.64) Où : cos 2 K sin 3 1 2 2 cos 3 2 sin 3 1 2 2 cos 3 2 sin 3 1 2 (3.65) V abc s R s iabc s P abc s (3.66) d qs V q s rs iq s r d s dt d ds V d s rs id s r q s dt d os V o s rs io s dt (3.67) Les équations rotoriques ne sont pas affectées par la transformation : 44 Modélisation de la machine synchrone avec et sans amortisseur d Q V Q R Q iQ dt df V f R f i f dt d D V D R D i D dt (3.68) Fig.3.7. Représentation de la MSRB sur le repère dq. a. Système des équations électromagnétiques qdo s K L ss K 1 1 r L rs K K s L sr iqdo s L rr ir (3.69) Selon l’axe q qs Q Lq M Q q M qQ iq s L Q iQ (3.70) 45 Modélisation de la machine synchrone avec et sans amortisseur Selon l’axe d ds f D Ld M fd M Dd M dD id s M fD i f L D i D M df Lf M Df (3.71) b. Schéma équivalent 1. Axe d Fig.3.8. Circuit équivalent de la MSRB avec amortisseur sur l’axe d. Avec : K f M Dd M fD M d KDM ; KD Dd M fd M fD KfM fd (3.72) (3.73) ls Ld M d (3.74) L fd K D L f M d (3.75) l kd K D L D M (3.76) 2 2 D R kd K D rD (3.77) R fd K f r f (3.78) 2 2 46 Modélisation de la machine synchrone avec et sans amortisseur 2. Axe q Fig.3.9. Circuit équivalent de la MSRB avec amortisseur sur l’axe q. Avec : ls Lq K Q M Qq (3.79) m q K Q M qQ (3.80) l kq K Q L q K Q M qQ (3.81) R kq K Q R Q (3.82) 2 2 Kq Lq ls (3.83) M Qq (3.84) Lq ls K Q M Qq c. Couple électromagnétique Ce 1 2 i t . dL ( r ) d m i (3.85) p 1 m r Ce 1 ia 2 ib (3.86) ic iQ if L ss i d . t r L sr i as i bs L sr ics L rr iQ i f i D (3.87) 47 Modélisation de la machine synchrone avec et sans amortisseur Ce 1 i st 2 L ss r t ir . t L sr r 1 t dL ss C e is 2 d r Ce t i t r dL sr d r t is (3.88) dL sr i s d r ir (3.89) t dL ss dL sr t p iabc s iabc s 2( iabc s iqd r 2 d r d r 1 Ce p (K Ce L sr r is ir 0 3 2 1 ( r ) i r qdo s dL ss K ) . d r t p d s iq s q s id s 1 ( r ) iqdo s 2 (K (3.90) 9081 1 ( r ) iqdo s ) t ( iqd r ) d r dL sr (3.91) (3.92) 3.4. BLOC DIAGRAMME D’UNE MACHINE SYNCHRONE AVEC AMORTISSEUR La figure 3.10 représente un bloc diagramme de simulation de la machine synchrone. Ce bloc diagramme est subdivisé en 4 blocs essentiels Fig.3.10. Bloc diagramme de simulation d’une machine synchrone avec amortisseur. 48 Modélisation de la machine synchrone avec et sans amortisseur 3.5. MODÈLE DE LA MACHINE SYNCHRONE À INDUCTEUR BOBINÉ EN TENANT COMPTE DES HARMONIQUES DE TENSION 3.5.1. CHAMPS TOURNANTS HARMONIQUES Si le bobinage polyphasé est de construction symétrique, s’il est parcouru par des courants équilibrés, mais si la réparation de la f .e.m due à chaque phase n’est pas sinusoïdale ou si les courants ne sont pas sinusoïdaux, à la f .m.m. tournante circulaire de vitesse w se superposent des f .e.m tournantes de vitesse différentes dues aux harmoniques d’espace ou aux harmoniques du courant [10]. 3.5.2. CAS DE REPARTITIONS NON SINUSOÏDAUX Soit un enroulement triphasé bipolaire parcouru par des courants équilibrés sinusoïdaux. Si chaque phase ne donne pas une répartition sinusoïdale à la f.m.m qu’elle crée, on voit apparaître des harmoniques d’espace. Chaque bobine étant symétrique, le développement en série de la f.m.m qu’elle crée à un instant donné ne comprend que les harmoniques de rang impair. En un point de l’entrefer, les 3 phases créent : 1 I m cos t ( A1 cos A3 cos 3 .... Ah cosh ....) 2 I m cos( t 3 I m cos( t 2 3 4 3 ) A1 cos( ) A1 cos( 2 3 4 3 ) A3 cos 3( ) A3 cos 3( 2 3 4 3 (3.93) ) .... Ah cosh( ) .... Ah cosh( 2 ) .... (3.94) ) .... (3.95) 3 4 3 La f.m.m résultante égale à 1 2 3 , a pour expression : 3 2 A1 I m cos( t ) 3 2 A5 I m cos( t 5 ) 3 2 A7 I m cos( t 7 ) ... 3 2 Ah I m cos( t h ) ... (3.96) La f.m.m résultante est la somme des f.m.m dues aux harmoniques d’espace de rang h = 3k +1 qui créent des f.m.m à répartition sinusoïdale tournant dans le sens direct à la vitesse w/h (ou w/hp s’il y a 2p pôles). Aux harmoniques d’espace de rang h = 3 k - 1 qui créent des f.m.m tournantes dans le sens inverse à la vitesse w/h (ou w/hp). Les harmoniques 3, 6, 9… donnent une f.m.m nulle. Les f.m.m dues aux harmoniques d’espace tournent moins vites que la f.m.m fondamentale, d’où le nom de flux rampants est donné aux flux qu’elle engendre [10]. 49 Modélisation de la machine synchrone avec et sans amortisseur 3.5.3. CAS DE COURANTS NON SINUSOÏDAUX Si les courants dans les 3 phases d’une armature sont identiques à T/3 près, mais non sinusoïdaux, les harmoniques de courants se retrouvent dans la f.m.m de chaque phase. En un point de l’entrefer les 3 phases se créent : 1 A I 1 m cos t I 2 m cos 2( t 2 ) .... I nm cos n ( t n ) .... cos (3.97) 2 2 2 2 2 A I 1 m cos( t ) I 2 m cos 2( t 2 ) .... I nm cos n ( t n ) .... cos( ) 3 3 3 3 (3.98) 4 4 4 4 3 A I 1 m cos( t ) I 2 m cos 2( t 2 ) .... I nm cos n ( t n ) .... cos( ) 3 3 3 3 (3.99) La f.m.m résultante a pour expression : 3 2 AI 1 m cos( t ) 3 2 AI 2 m cos(2 t 2 2 ) 3 2 AI 4 m cos(4 t 4 4 ) ... 3 2 AI nm cos( n t n n ) ... (3.100) est, donc, la f.m.m due aux harmoniques de rang n = 3 k +1 qui créent des f.m.m à répartition sinusoïdale tournantes dans le sens direct, à la vitesse nw (ou nw/p) aux harmoniques de rang n = 3 k - 1 qui créent des f.m.m à répartition sinusoïdale tournantes dans le sens inverse à la vitesse nw (ou nw/p).Les harmoniques de rang 3, 6, 9…. ont un effet résultant nul. On remarque que la f.m.m tournante harmonique tourne plus vite que l’onde due au fondamental. 3.5.4. CAS DE COURANTS NON SINUSOÏDAUX ET D’UNE REPARTITION NON SINUSOÏDALE En un point de l’entrefer, les 3 phases créent : 1 I 1 m cos t I 2 m cos 2( t 2 ) .... I nm cos n ( t n ) .... A1 cos A3 cos 3 ... Ah cosh .... (3.101) 2 2 2 2 I 1 m cos( t ) I 2 m cos 2( t 2 ) .... I nm cos n ( t n ) .... 3 3 3 2 2 2 A cos( ) A cos 3( ) ... A cosh( ) .. .. 1 3 h 3 3 3 (3.102) 4 4 4 3 I 1 m cos( t ) I 2 m cos 2( t 2 ) .... I nm cos n ( t n ) .... 3 3 3 4 4 4 A1 cos( 3 ) A3 cos 3( 3 ) ... Ah cosh( 3 ) .... (3.103) La somme des 3 termes correspondent à l’harmonique n du courant et à l’harmonique h d’espace ne donne un champ tournant que: n h 3 k 50 Modélisation de la machine synchrone avec et sans amortisseur si n = 3k +h, on a une f.m.m tournante dans le sens direct à la vitesse nw/h, donnée par une expression de la forme 3 2 si Ah I n m co s( n t n n h ) . n = 3k - h, la f.m.m tournante dans le sens inverse à la vitesse nw/h, est donnée par une expression de la forme 3 2 Ah I nm co s( n t n n h ) . Dans le cas particulier où n=h, la f.m.m tourne à la même vitesse que la f.m.m fondamentale Si n est égale à la fois 3k + h et 3k’- h, la f.m.m est une f.m.m alternative d’axe fixe, d’amplitude maximum 3 Ah I nm (on peut d’ailleurs la décomposer en 2 f.m.m tournantes 3 d’amplitude tournantes l’une tourne à l’endroit, l’autre tourne à l’envers. Ceci Ah I n m 2 explique qu’on remplit alors à la fois la condition d’une f.m.m directe et d’une f.m.m inverse). Ce cas est important car il correspond à h = 3 et n = 3. Dans le tableau 3.2 On a indiqué pour les premières valeurs impaires de h et de n, car il est aussi rare de trouver des harmoniques dans le courant que dans la répartition, les vitesse des f.m.m. on a donné le signe + aux f.m.m direct, le signe – aux inverse, repéré par 0 les f.m.m alternatives d’axe fixe et barré les cases où l’effet des termes de rang h sur ceux de rang n est nul [10]. Tab.3.2.Fréquence du champ tournant harmonique due à l’interaction des harmoniques de temps et d’espace. H n 1 1 3 5 7 7 5 7 13 11 13 11 13 7 5 17 7 5 17 7 7 13 7 17 13 11 13 11 17 11 5 17 13 17 0 17 13 0 0 1 7 7 5 15 5 11 5 1 3 0 11 13 11 0 1 1 17 0 5 9 15 0 5 7 13 11 0 7 17 7 5 11 5 3 9 0 17 11 17 13 51 Modélisation de la machine synchrone avec et sans amortisseur 3.5.4. MODELE DE LA MSRB EN TENANT COMPTE DES HARMONIQUES DE TEMPS Les équations du flux sont données par le système matriciel suivant : 0 L0 0 d q 0 f 0 0 D Q 0 0 0 0 0 Ld 0 M 0 Lq 0 0 f M D 1.5 M f 0 Lf M 1.5 M D 0 M LD 0 1.5 M Q 0 R R 0 0 i0 0 i d M Q iq 0 i f 0 iD L Q iQ (3.104) Où le flux d’excitation est exprimé par la relation : (3.105) f 1.5 M f id L f i f M R i D . La fréquence de f est la même que celle du courant id sans présence de source alternative dans le circuit d’excitation. Par l’utilisation de la transformée de Park, les courants de la machine synchrone seront exprimés dans le repère dqo par la relation 3.106. 1 2 i0 2 i cos d 3 ia sin 1 2 cos 120 sin 120 iA cos 120 i B sin 120 iC 1 2 (3.106) Où : iA iA 0 iAh i i i B B 0 Bh iC iC 0 iC h (3.107) Avec : I A 0 cos 0 t iA0 I A h cos h t iAh , i I cos 0 t 120 i I cos h t 120 B0 B0 Bh Bh iC 0 I C 0 cos 0 t 120 iC h I C h cos h t 120 (3.108) Ce qui donne les courants io, id, iq i0 0 0 id I M I h cos h 1t i 0 cos h 1t 90 q (3.109) I A h co s h t iAh i I co s h t 1 2 0 Bh Bh iC h I C h co s h t 1 2 0 (3.110) 52 Modélisation de la machine synchrone avec et sans amortisseur Les axes dq0 peuvent être caracterisés par l’equation (3.111). Par canséquent, les 2 equations (3.109) et (3.111), indiquent que les frequences angulaires des courants harmoniques dans le repère dq sont h -1 ou h + 1. i0 0 0 id I M I h cos h 1t i 0 cos h 1t 90 q (3.111) D’où les équations du modèle sont : V d h R s id h d dt dh R qh V ' fd h R fd i ' fd h V q h R s iq h d dt d dt (3.112) ' fd h (3.113) (3.114) qh R dh V ' fq h R ' fq i ' fq h d dt ' fq h (3.115) qh ( L l L m q ) iqh L m q i 'kqh (3.116) ' fqh ( L 'lfd L m d ) i ' fdh L m d ( id i 'kdh ) (3.117) dh ( L l L m d ) idh L m d ( i ' fdh i 'kdh ) (3.118) ' fqh ( L 'lfq L m q ) i ' fqh L m q ( iqh i ' kqh ) (3.119) 3.5.4 CIRCUIT EQUIVALENT DE LA MSRB EN TENANT COMPTE DES HARMONIQUES DE TEMPS Le circuit équivalent de la machine dans le repère de Park selon les 2 axes d et q est donné par les schémas représentés sur les figures 3.11 et 3.12 53 Modélisation de la machine synchrone avec et sans amortisseur Fig.3.11. Circuit équivalent de la MSRB avec harmonique de temps sur l’axe d. Fig.3.12. Circuit équivalent de la MSRB avec harmonique de temps sur l’axe q. 3.6. CONCLUSIONS Dans ce chapitre, on a présenté un modèle de la machine synchrone à rotor bobiné avec et sans amortisseur, en tenant compte de la présence des harmoniques de temps et d’espace. Ce modèle est orienté vers l’utilisation de la machine comme filtre actif pour la compensation des harmoniques, notamment, d’ordres 5 et 7 en se basant sur la configuration qui sera présentée dans le prochain chapitre avec le principe de fonctionnement de ce nouveau type de filtres dynamiques. 54 CHAPITRE 4 COMMANDE ET REGULATION DE LA COMPENSATION 4.1. INTRODUCTION La régulation d’un système est l’asservissement du système à suivre une référence à l’aide d’une commande bien adaptée avec le comportement et les caractéristiques du système à régler. La littérature spécialisée présente plusieurs structures de commande, allant des plus simples aux structures les plus élaborées. Le choix d’une structure de correction parmi tant d’autres peut être guidé par divers critères, notamment : La simplicité de mise en œuvre. La poursuite de la consigne. Le rejet des perturbations. En général chaque technique s’oriente à une classe particulière de procédés. Les techniques actuelles peuvent être scindées en 2 grandes familles : les techniques conventionnelles (PI, PID, retour d’état, ….etc.) et les techniques non conventionnelles (flou, réseaux de neurones,….etc.). Dans ce chapitre, nous nous baserons sur la technologie numérique disponible et le développement énorme dans le domaine de l’informatique et surtout la programmation et le développement des logiciels de simulation des systèmes électriques comme le logiciel MATLAB, PSIM,… et d’autres. On va présenter une simulation de la machine synchrone sous ses différentes conditions de fonctionnement en se concentrant sur les systèmes d’excitation de la machine ainsi que les différentes courbes de tension et de courant obtenues lors d’utilisation des charges linéaires et non linéaires constantes ou variables. Puis, on fait une analyse spectrale de ces signaux pour déterminer les différents signaux harmoniques générés par ces charges et en déduire leurs caractéristiques pour chercher une méthode de compensation de ces harmoniques. Vient ensuite, le contrôle du circuit d’excitation de la MSRB et la génération des signaux de commande permettant à la machine de générer des harmoniques contrôlables en amplitude et en phase. Ces 2 techniques vont être exploitées pour faire la commande et la régulation de la compensation des harmoniques de tension, en se basant sur une structure de filtrage proposée pour l’utilisation de la machine synchrone comme un filtre dynamique raccordé avec le réseau à compenser. 54 Commande et régulation de la compensation 4.2. MACHINE SYNCHRONE A EXCITATION SHUNT 4.2.1. MS EXCITEE PAR UNE SOURCE CONTINUE On a effectué plusieurs tests sur la machine synchrone sous différents types de sources d’excitation pour voir l’adaptabilité de la machine au filtrage actif. Le premier test est de faire exciter la machine par une source continue. Ceci est le cas habituel, et de remarquer si on peut générer dans le bobinage statorique de la machine des composantes harmoniques contrôlables en amplitude, en phase, et en fréquence. L’utilisation de la machine comme un filtre actif nécessite que la machine soit capable d’injecter ou d’absorber des harmoniques présentes sur le réseau à compenser. Le bloc de simulation et les résultats obtenus montrent que l’utilisation d’une source continue pour exciter la machine synchrone ne peut produire qu’une onde fondamentale de fréquence dépendant directement de la vitesse d’entraînement de la machine et sa constitution interne. Les caractéristiques de la machine et de la charge sont présentées dans la figure 4.2. Fig.4.1. Bloc de simulation d’une MSRB excitée par une source de tension continue. Fig.4.2. Paramètres de la machine et de la charge utilisée. 55 Commande et régulation de la compensation Le deuxième test est d’exciter la machine par une source alternative monophasée de fréquence et d’amplitude contrôlables. Ceci montre que lors d’un entraînement constant de la machine, on peut avoir, selon la fréquence de la source d’excitation avec l’onde fondamentale, la présence des harmoniques d’ordres bien défini. L’ordre de ces harmoniques dépend de la fréquence de courant d’excitation et de la vitesse d’entraînement de la machine et de sa constitution (le nombre de paires de pôles de la machine). Leurs amplitudes dépendent de celle de la source d’excitation. 4.2.2. MS EXCITEE PAR UNE SOURCE ALTERNATIVE La figure 4.3 représente le bloc de simulation d’une MSRB excitée par un courant alternatif, alimentant une charge linéaire triphasé. L’excitation par courant harmonique de fréquence 200 [Hz], le fondamentale est 50 [Hz], donne une f.e.m représentée sur la figure 4.4 qui contient les 2 Fig.4.3. Bloc de simulation d’une MSRB excitée par une source de tension alternative. Fig.4.4. Tension de sortie de la MSRB avec une excitation AC-200[Hz]. 56 Commande et régulation de la compensation harmoniques d’ordres 3 et 5. Ceci est illustré par le spectre d’harmonique de la figure 4.5. Fig. 4.5. FFT de la tension de sortie de la MSRB avec excitation AC-200[Hz]. Mais lors de l’excitation de la machine par courant harmonique de fréquence 100[Hz], On remarque la présence de l’harmonique d’ordre 3. Ceci est schématisé par la figure 4.6. Sa FFT est caractérisée par la figure 4.7. Fig. 4.6. Tension de sortie de la MSRB avec excitation AC-100[Hz]. Fig. 4.7. FFT de la tension de sortie de la MSRB avec excitation AC-100 [Hz]. 57 Commande et régulation de la compensation Ainsi, lors de l’excitation par un courant harmonique de fréquence 300[Hz], la tension obtenue au stator contient des harmoniques d’ordres 5 et 7 illustrées dans le spectre d’harmoniques de cette tension est représenté par la figure 4.9. Fig. 4.8. Tension de sortie de la MSRB avec excitation AC-300 [Hz]. Fig. 4.9. FFT de la tension de sortie de la MSRB avec excitation AC-300 [Hz]. 58 Commande et régulation de la compensation Par conséquent, concernent l’ordre des harmoniques, c’est exactement comme nous l’avons déjà vu dans la partie modélisation. L’excitation de la machine synchrone par un courant alternatif de fréquence d’ordre harmonique 2 par rapport à la fréquence fondamentale de la f.e.m générée par la machine engendre dans le bobinage statorique la présence de la composante harmonique d’ordre 1, qui est la fondamentale, et de l’harmonique d’ordre 3. L’excitation de la machine synchrone par un courant alternatif de fréquence d’ordre harmonique 3 par rapport à la fréquence fondamentale de la f.e.m générée par la machine engendre dans le bobinage statorique la présence de composantes harmoniques d’ordres 2 et 4. L’excitation de la machine synchrone par un courant alternatif de fréquence d’ordre harmonique 4 par rapport à la fréquence fondamentale de la f.e.m générée par la machine engendre dans le bobinage statorique la présence de composantes harmoniques d’ordres 3 et 5. L’excitation par la 6em harmonique donne les harmoniques d’ordres 5 et 7 et ainsi de suite. Le test de la machine avec une excitation composée d’une source continue qui nous donne l’onde fondamentale de la f.e.m de la machine et une autre alternative contrôlable permet d’ajouter à l’onde fondamentale de la sortie délivrée par la MSRB des signaux harmoniques. Ces harmoniques contrôlables vont être utilisés pour compenser les harmoniques du réseau dues à la présence de la charge non linéaire. 4.3. COMPENSATION DES HARMONIQUES DE TENSION PAR LA MSRB 4.3.1. DESCRIPTION DE LA METHODE PROPOSEE La figure 4.10 présente un bloc diagramme d’une structure de compensation basée sur la machine synchrone à rotor bobiné. Cette structure permet d’exploiter la machine pour générer des harmoniques contrôlables en phase et en amplitude. Ceci permet à l’aide du bloc de détecteur d’harmoniques avec le bloc de décision de compensation des harmoniques d’imposer dans le circuit d’excitation de la machine un courant d’excitation capable de générer dans les enroulements statoriques de la machine des signaux capables de compenser les harmoniques de tension existant dans le réseau. 59 Commande et régulation de la compensation Fig.4.10. Bloc diagramme de la structure proposée pour la compensation des harmoniques. Cette structure est similaire à celle utilisée dans le filtrage actif basé sur l’onduleur de courant ou de tension présenté dans la figure 4.11. Seule la nouvelle structure se base sur la MSRB pour générer les signaux de compensation qui doivent être contrôlables en fréquence, en amplitude, et en phase pour avoir avec la présence d’un système de commande adéquat des résultats au moins semblables à ceux obtenus par la structure présentée dans la figure 4.11. Fig. 4.11. Bloc diagramme d’une structure de compensation d’harmoniques basée sur l’APF. 60 Commande et régulation de la compensation 4.3.2. BLOC DE SIMULATION BASE SUR LA METHODE PROPOSEE La figure 4.12 représente un bloc de simulation d’une structure de compensation des harmoniques de tension basée sur une MSRB Fig .4.12. Structure de compensation d’harmoniques basée sur la MSRB. 4.3.3. RESULTATS DE SIMULATION Les résultats obtenus montrent, brièvement, l’efficacité de la machine synchrone en filtrage des harmoniques malgré qu’elle fonctionne dans un régime déséquilibré et perturbé « harmonisé ». Ceci influe sur les caractéristiques de la machine. La figure 4.13 montre que la tension de charge avant de connecter la machine synchrone au réseau est déformée, déphasée et a une valeur faible par rapport à la tension de source du réseau qui représente la référence ou la tension désirée. Mais, après la connexion du filtre « la MSRB », la tension de charge a été réglée en amplitude et devient égale à celle de la tension de source. Sa forme devient aussi plus proche de celle de la source, c'est-à-dire proche de la sinusoïde. Ceci implique que la machine a filtré la tension de charge des harmoniques de tension contenues. 61 Commande et régulation de la compensation V[V] Fig.4.13. Tensions de charge et de source avant et après le filtrage. On remarque dans la figure 4.14 que la tension de charge était filtrée et devient presque sinusoïdale ainsi que sa valeur était réglée à celle de la tension de la source du réseau. V[V] Fig .4.14. Tension de charge avant et après le filtrage. Pour que la MSRB assure le filtrage et la régulation de la tension de charge, les boucles de régulation interne et externe du circuit d’excitation en génèrent un courant d’excitation adéquat représenté par la figure 4.15. Ceci est due à la tension d’excitation de la figure 4.16 et délivre à la sortie de la machine une tension (Fig 4.17) responsable au filtrage des harmoniques de tension causées par la présence de la charge non linéaire. 62 Commande et régulation de la compensation I[A] Fig .4.15. Courant d’excitation de la MSRB. V[V] Fig .4.16. Tension d’excitation de la MSRB et celle de la charge. V[V] Fig.4.17. Tension et courant d’excitation de la MSRB 63 Commande et régulation de la compensation Où les trois tensions délivrées par la MSRB sont représentées dans la figure 4.18 V[V] Fig.4.18. Tension de charge avant et après le filtrage plus les tensions de filtrage. Separation des signaux Le spectre d’harmoniques de la tension de charge filtrée est représenté dans la figure 4.19. Il montre que les harmoniques d’ordres 5 et 7 sont minimisés et que leurs amplitudes deviennent très faibles et non gênantes. V[V] Fig.4.19. Spectre d’harmoniques de la tension de charge après filtrage. 64 Commande et régulation de la compensation Pour vérifier la robustesse et l’efficacité du filtre dynamique basé sur la MSRB, on a simulé le fonctionnement du filtre dans le cas d’un réseau contenant des charges linéaires et non linéaires fonctionnant d’une manière arbitraire raccordées à une tension d’alimentation, source du réseau, variable de façon qu’elle nous a permet de voir la réaction du filtre lors d’une coupure de tension, de diminution ou lors de l’augmentation de la tension de source. Les résultats obtenus sont représentés par les figures 4.20 – 4.23. Ces figures montrent la robustesse du filtre dynamique et l’adaptabilité de la MSRB au filtrage actif des harmoniques de temps dues à la présence des charges non linéaires. V[V] Fig.4.20. Tensions de charge et de source avec et sans filtrage pour une source variable. Seprerr V[V] Fig.4.21. Tension de charge avec et sans filtrage avec une source variable. 65 Commande et régulation de la compensation V[V] Fig.4.22. Tensions de charge et de source avec et sans filtrage pour un réseau variable. On remarque bien le fonctionnement du filtre dynamique, de t = 0[s] à t = 0,04[s], le filtre est déconnecté et le réseau ne contient que des charges linéaires. Par conséquent, la tension de charge est sinusoïdale,mais son amplitude n’est plus réglée à celle de la source, puis dés que le filtre sera connecté à t =0,04[s] la tension de charge sera réglée et suit directement la tension de source en amplitude, en phase et en forme, comme le montre la figure 4.23. Ceci pendant une durée de 0,04[s] V[V] Fig.4.23. Zoom des tensions de charge et de source avec et sans filtrage. 66 Commande et régulation de la compensation où à l’instant t = 0 ,08 [s] une charge non linéaire sera connecté au réseau. Ceci engendre des perturbations harmoniques, mais, la présence du filtre limite ses influences et garde la tension de charge plus proche de la référence « tension de la source ». Mais, après t = 0,15 [s] on remarque qu’il y a une coupure totale de la tension source. Par conséquent, le filtre suit sa référence et donne des tensions nulles. Après t = 0,2 [s], la source d’alimentation du réseau prend une valeur très importante 2 [KV] par rapport à la tension de fonctionnement 380 [V]. Mais, malgré cela, le filtre suit sa référence pendant un temps de réponse très court, avec un dépassement très faible et assure en même temps la compensation des harmoniques de tension de charge. Enfin, après t = 0,38 [s], le filtre dynamique sera déconnecté et la tension de charge revient à son état déformé et d’amplitude faible par rapport à la tension d’alimentation. Ces résultats efficaces, nous permettent de voir l’efficacité du filtre dynamique basé sur la machine synchrone à rotor bobiné selon la structure de compensation proposée et permet de dire, finalement, que la MSRB est adaptable au filtrage des harmoniques de tension. 4.4. CONCLUSIONS Dans ce chapitre, on a présenté une structure de compensation permettant à la machine synchrone de générer des harmoniques de tension contrôlables en fréquence, en amplitude et en phase. Elle nous a permis d’exploiter la machine pour le filtrage des harmoniques de tension. Les résultats des travaux de simulation, effectués et présentés, montrent brièvement la possibilité de contrôle des paramètres (fréquence, amplitude et phase) de ses harmoniques générées via un circuit d’excitation basé sur un hacheur série contrôlé par un régulateur. Ceci permet de compenser les harmoniques de tension de charge et d’assurer sa régulation par rapport à la tension de source. Ceci permet d’améliorer la qualité de l’énergie électrique et la minimisation de la présence des perturbations harmoniques dans les réseaux domestiques et d’offrir une alimentation stable et propre. 67 CHAPITRE 5 CONCLUSIONS & PERSPECTIVES 5.1. CONCLUSIONS Les différents types des perturbations harmoniques qui influent sur la qualité de l’énergie électrique ainsi que les différentes solutions qui existent pour le filtrage de ces harmoniques sont présentés, passant des filtres passifs aux filtres actifs avec l’analyse des principes de fonctionnement des différentes structures et les techniques de commande utilisées. Une nouvelle génération de filtres actifs basée sur la MSRB est présentée comme filtre dynamique ainsi que les modèles de la machine avec et sans amortisseur en tenant compte des harmoniques de tension dans le référentiel abc et dqo. Des simulations de la machine sur les différentes conditions de charge (charges linéaire, et non linéaire, dans les 2 cas constante et variable) sont effectuées grâce au logiciel de simulation. Une régulation de la tension délivrée par la machine lors d’une charge linéaire (sans présence des harmoniques) et non linéaire (en présence des harmoniques de temps) est effectuée. Une structure basée sur un hacheur série à base des IGBT contrôlés par des régulateurs est présenté. Ceci permet de générer dans le bobinage statorique de la machine des harmoniques contrôlables en fréquence, en amplitude, et en phase. Ceci permet de générer des harmoniques d’ordres 5 et 7 contrôlables en amplitude et en phase dans le bobinage statorique. Ceci rend la machine synchrone adaptable à être utilisée comme un filtre actif des harmoniques de tension dans le réseau. 5.2. PERSPECTIVES Finalement, nous espérons que les travaux dans cet axe de recherche se poursuivent pour mettre sur terrain ces expériences et exploiter ces techniques pour l’amélioration de la qualité de l’énergie avec une étude économique permettant d’avoir une réduction du prix unitaire de l’énergie électrique, la plus propre énergie disponible entre les mains des hommes, améliorant le rendement des centrales de production et aidant efficacement à l’amélioration de la vie des être humains. Ceci d’un coté et d’un autre coté d’ouvrir une autre porte dans la maîtrise de contrôle des perturbations dans les réseaux électriques d’une manière de nous permettrent d’intégrer le plus grand nombre possible des sources basées sur des énergies renouvelables comme les sources éoliennes et solaires sans affecter la qualité de l’énergie distribuée aux clients. 68 REFERENCES [1] Farid Hamoudi, “Commande robuste d‟un filtre actif shunt a quatre fils”, Mémoire de Magistère en Electrotechnique Option Maîtrise des ´Energies & ´Energies Renouvelables, Université de Batna 2008, Algérie. [2] Amaia Lopez De Heredia Bermeo, « Commandes avancées des systèmes dédiés a l‟amélioration de la qualité de l‟énergie : de la basse tension à la montée en tension » Thèse de Doctorat de l‟Institut National Polytechnique de Grenoble avec le « label européen » en Génie Electrique, Novembre 2006, France. 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Position- 5 NON LINEAIRE Init. Position- 6 Current Flag- 1 Current Flag- 2 Current Flag- 3 Current Flag- 4 Current Flag- 5 Current Flag- 6 Valeurs 0.1 0.79 4.1 2 0.016 0.37 0.17 0.28 0.17 0.91 1 4 0.2 0 1 10 0.03 0 0 0 2 0.0003 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Unités [Ω] [mH] [mH] [mH] [Ω] [mH] [Ω] [mH] [Ω] [mH] [J/Kg] [Ω] [H] [Ω] [H] [v] 69 .Bمهخــــص مطــــــول انفرع :يكائٍ كهشتائيح مقدو مه طرف :تـــىسوسو فاسط مؤطر مه طرف :د .تــىصكشي زساٌ عىوان انمذكرة :يالئًح انًاكُح انتضايُيح نهتششير انُشط نتىافقياخ اندهذ انكهمات انمفتاح :شثكح كهشتائيح – زًىنح غيش خطيح – اظطشاتاخ تىافقيح – تؼىيط – يششر َشط نهطاقح انفؼانح – يششر ديُاييكي – ياكُح يتضايُح – تًثيم – ظثط – يساكاج. .1موضوع انمذكرة تهذف هزِ انًزكشج نذساسح إيكاَيح استؼًال انًاكُح انًتضايُح ثالثيح انطىس راخ انذواس انًهفىف في تششير االظطشاتاخ انتىافقيح نهتىتش في انشثكاخ انكهشتائيح. .2مخطط انمذكرة: أَدضخ هزِ انًزكشج ،انًتكىَح يٍ 4فصىل ،زسة انًخطط انتاني: انفصم األول يهتى تانذساسح انًشخؼيح نهًىظىع و طشذ اإلشكانيح انًشاد زهها و انًتًثهح في يذي يالئًح انًاكُح انتضايُيح ثالثيح انطىس نتششير االظطشاتاخ انتىافقيح انًُتششج في شثكح كهشتائيح تاإلظافح إنً األهذاف انًشخىج يٍ انؼًم و يخطط انًزكشج. انفصم انثاوي يهتى تذساسح أَظًح تششير االظطشاتاخ انتىافقيح إر تؼذ ػشض هزِ االظطشاتاخ و تأثيشاتها ػهً َىػيح انطاقح انكهشتائيح ػشظُا يختهف أَىاع انًششساخ انًستؼًهح زانيا نتششير كم يٍ اندهذ و انتياس يٍ هزِ االظطشاتاخ انتىافقيح سىاء انخايهح يُها أو انُشطح و انفؼانح. و في انفصم انثا نث قًُا تًُزخح انًاكُح انًتضايُح ثالثيح انطىس راخ انذواس انًهفىف في كهتا انسانتيٍ تىخىد أو ػذو وخىد انًخًذاخ تاػتثاس وخىد اظطشاتاخ تىافقيح يىخهح يٍ أخم انقياو ،في انفصم انشاتغ، تًساكاج انًاكُح ػهً انكًثيىتش يغ َظاو إظافي ،و انًتًثم في داسج تسشيط تؼتًذ أساسا ػهً يسضص رو تُيح تسهسهيح ،يسًر تاستؼًال داسج انتسشيط نتىنيذ في نفائف اندضء انساكٍ نهًاكُح يغ انًىج ج األساسيح إشاساخ تىافقيح يًكٍ انتسكى في كم يٍ قيًتها األػظًيح ،تىاتشها ،و صفستها االتتذائيح تاإلػتًاد ػهً تُيح انتسكى و َتُظيى ػًهيح انتششير انًقتشزح كي يصثر يٍ انًًكٍ استغالل انًاكُح انًتضايُح ثالثيح انطىس راخ انذواس انًهفىف كًششر َشط نهطاقح انكهشتائيح .و في انُهايح ختًُا انًزكشج تاستُتاج ػاو زىل انُتائح انًسصم ػهيها يٍ خالل هزا انؼًم انًُدض و في انُهايح ػضصخ انًزكشج تسشد تؼط األفكاس نهذساسح و انثسث فيها يستقثال. 70 يهسق ب .3خالصة انمذكرة و اآلفاق: تسشيط انًاكُح انًتضايُح ثالثيح انطىس راخ انذواس انًهفىف تتياس تىافقي رو ستثح » « nيُتح في نفائف انثاتث خهـــــىد تىافقيح يـــٍ انشتة n+1و n-1يًكــــٍ انتسكــــــــى في كــم يــٍ قيًتها األػظًيح، تىاتشها ،و صفستها االتتذائيح يًا يسًر تاستؼًانها كًششر ديُاييكي َشط نتىافقياخ اندهذ انكهشتائيح .هزا يا يفسر انًدال إلتقاٌ انتسكى في اإلظطشاتاخ انًُتششج ػثش انشثكح انكهشتائيح تشكم يسًر تإدياج أكثش ػذد يًكٍ يٍ يُاتغ اَتاج انطاقح انًؼتًذج أساسا ػهً انطاقاخ انًتدذدج كانًسطاخ انًؼتًذج ػهً طاقح انشياذ أو انًؼتًذج ػهً انطاقح انشًسيح دوٌ انتأثيش ػهً َىػيح انطاقح انًُتدح. 71 C. RESUME ETENDU Filière : Electrotechnique Option : Machines électriques Nom & prénom de l’étudiant : M. Bourourou Fares Nom & prénom de l’encadreur : Dr. Bouzekri Hacene Thème : Adaptativité de la machine synchrone au filtrage dynamique des harmoniques de tension Mots clés : Réseaux électriques – charges non linéaires – harmoniques – compensation – filtre actif de puissance – filtrage dynamique – machine synchrone – modélisation – régulation – simulation. 1. OBJET DU MEMOIRE L’objectif principal de ce mémoire est l’étude de l’adaptabilité de la machine synchrone à rotor bobiné au filtrage actif des harmoniques de tension présentes dans un réseau électrique. 2. ORGANISATION DU MEMOIRE Ce mémoire composé de 4 chapitres est organisé selon le plan suivant : Le premier chapitre est consacré à l’étude bibliographique, la position du problème et la description des objectifs souhaités. Le deuxième est caractérisé par l’étude des systèmes de filtrage des harmoniques après qu’on ait présenté les perturbations harmoniques et leurs influences sur la qualité de l’énergie électrique. Le troisième représente la modélisation de la machine synchrone à rotor bobiné avec et sans amortisseur en tenant compte des harmoniques de temps et orientée à la simulation de la machine synchrone avec un système additif - circuit d’excitation basé sur un hacheur de structure série – qui permet d’utiliser le circuit d’excitation pour générer, dans le bobinage statorique de la machine, avec l’onde fondamentale, des signaux harmoniques contrôlables en amplitude, en fréquence et en phase, (Le quatrième chapitre) ceci permet, avec l’utilisation d’un système de commande et de faire une régulation de la compensation d’utiliser cette machine comme un filtre actif des harmoniques de tension basé sur la structure proposée et confirmée par des simulations. Finalement, le travail est couronné par des conclusions avec des propositions de quelques thèmes à déployer comme travaux de recherches et d’étude doctorales. 72 Annexe C 3. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES DU MEMOIRE Lorsqu’on injecte, dans le circuit d’excitation d’une machine synchrone à rotor bobiné, des harmoniques d’ordre « n », on aura dans le bobinage statorique des harmoniques d’ordre n+1 et n-1 contrôlables en amplitude, en fréquence et en phase. Ceci permet d’exploiter la machine pour le filtrage des harmoniques présentes dans le réseau qui est alimenté par la machine elle-même (lorsqu’elle est utilisée comme une centrale de base) ou lorsqu’elle est connectée avec une autre centrale (utilisée comme centrale intermédiaire ou de pointe). Ceci permet d’ouvrir une autre porte dans la maîtrise de contrôle des perturbations dans les réseaux électriques d’une manière de nous permettrent d’intégrer le plus grand nombre possible des sources basées sur des énergies renouvelables comme les sources éoliennes et solaires sans affecter la qualité de l’énergie. 73 D. FICHES TECHNIQUES DES REFERENCES D.1. INTRODUCTION Cette annexe développe une étude bibliographique globale et résume les travaux les plus importants dans le domaine du filtrage des harmoniques actif et dynamique ainsi que la modélisation de la machine synchrone. Plus de 20 références sont synthétisées et résumées. Elles rassemblent des publications des journaux techniques les plus célèbres dans le domaine d’électrotechnique IEE, IEEE et ELSEVER, des thèses et mémoire de magistère et de doctorat d’état. D.2. AN ELECTROMECHANICAL ACTIVE HARMONIC FILTER [Mehdi T. Abolhassani, Hamid A. Toliyat, Prasad Enjeti, 2001 IEEE] Dans cet article, on propose un nouveau électromécanique filtre actif d’harmoniques. Le filtre électromécanique proposé est, essentiellement, une machine synchrone tournante avec la modification appropriée à son circuit d'excitation. On montre qu'en injectant 2, 4, 6 harmoniques de courants dans le bobinage d'excitation, les courants de 5 et 7 ordres harmoniques sont produits dans l'enroulement du redresseur. Par la commande appropriée de champ de l'excitation, le filtre électromécanique d’harmonique proposé peut compenser les courants harmoniques d’ordres 5 et 7 dans le système de distribution électrique. La simulation et les résultats expérimentaux sont présentés pour démontrer l'efficacité de la méthode de compensation proposée. Cette méthode est rentable puisqu'elle peut être appliquée aux générateurs de secours existants aux usines commerciales et industrielles avec la modification minimale au circuit d'excitation. D.3. HARMONIC COMPENSATION USING A SYNCHRONOUS MACHINE WITH RESONANT FIELD CIRCUITS [Fuyuto Takase, Masatoshi Tominaga, Yoshisuke Ueda, & Takamasa Temma, Takamu Genji & Kiyoshi Oku & Takayuki Hira, Atsushi Ashizawa, 1996 IEEE] Cet article traite une méthode harmonique de compensation à l'aide d'une machine synchrone avec les circuits de champ résonnants. Récemment, les harmoniques sont devenues des 74 Annexe D problèmes principaux dans des systèmes d'alimentation et beaucoup de méthodes de suppression des harmoniques ont été étudiées. Les auteurs ont proposé une nouvelle méthode de suppression des harmoniques à l'aide d'une machine synchrone passionnant avec le 6ème courant harmonique. Cet article prouve que les inductances d'armature pour les 5èmes ou 7èmes harmoniques diminuent quand les circuits de champ sont reliés aux condensateurs résonnant au 6ème harmonique. Les variations des impédances d'armature sont expliquées théoriquement par les équations de Park's. Les capacités optimales sont choisies afin de résonner avec des inductances de champ pour l'armature court-circuitée. Les expériences pour supprimer les 5èmes et 7èmes harmoniques à l'aide de la machine synchrone sont réussies. D.4. INTEGRATED ELECTRIC ALTERNATORS/ACTIVE FILTERS [Mehdi Towliat Abolhassani, Thèse Ph.D, Mai 2004] En réponse aux soucis de qualité de crise énergétique et de puissance, on propose trois méthodologies différentes pour intégrer le concept du filtrage actif dans les alternateurs. Enroulez l'énergie, due à sa disponibilité libre et à son caractère propre et renouvelable, grades comme ressource énergétique renouvelable la plus prometteuse qui pourrait jouer un rôle principal en résolvant la crise énergétique mondiale. On propose intégré l'alternateur Double alimenté électrique/filtre actif (IDÉE) pour des systèmes de conversion d'énergie éolienne. L'IDÉE proposée est capable de la puissance maximum de serrage simultanée de l'énergie et d'améliorer de vent la qualité de puissance, qui est réalisée en décommandant les harmoniques les plus significatifs et les plus ennuyeux de la grille et de la compensation de phase de service et la compensation de puissance réactive dans la grille. Les convertisseurs de puissance de courants sont utilisés pour exciter le rotor de l'IDÉE. La stratégie de commande du convertisseur de puissance de rotor-côté est méthode de contrôle orientée par champ sensoreless basée de position de fonctionnement avec la densité de puissance plus élevée. L'analyse et les résultats expérimentaux sont présentés pour démontrer l'efficacité de l'IDÉE proposée. Dans la prochaine étape, une machine synchrone intégrée/filtre actif est discutée. La technologie proposée est essentiellement une machine synchrone tournante avec la modification appropriée à son circuit d'excitation de champ pour permettre des excitations de C.C et à C.A. On lui montre qu'en commandant l'excitation à C.A., les 5ème et 7ème courants d'harmoniques de l'utilité sont compensés. La méthode proposée est rentable parce qu'elle peut être appliquée aux générateurs de secours existants aux usines commerciales et industrielles avec la modification minimale aux circuits d'excitation. 75 Annexe D Pour amplifier le gain de compensatoire harmonique, on propose une machine électrique avançée. Une hauteur de fuite asymétrique a concentré la machine synchrone d'enroulement (AACWSM) avec le C.A. et l'excitation de C.C a été conçue et utilisée. On montre que l'AACWSM avec sa conception unique, en plus des possibilités de production d'électricité, pourrait être employée pour compenser les harmoniques du courant les plus dominants de l'utilité. L'AACWSM proposé peut compenser les 5ème et 7ème courants harmoniques dans la grille en commandant l'excitation de champ à C.A. En outre, les 11ème et 13ème courants harmoniques sont, également, sensiblement réduits. Ce système peut être employé aux tensions moyennes et basses pour la génération ou le mode de fonctionnement circulant en voiture. D.5. FILTRAGE DYNAMIQUE D’HARMONIQUES D’UN RESEAU ELECTRIQUE A L’AIDE D’UNE MACHINE A DOUBLE ALIMENTATION COMMANDEE PAR LE ROTOR [P. Poure, S. Saadate, B. Davat, journal de physique, December 1995 pages 20872099] Cet article décrit l’étude du filtrage dynamique d’harmoniques d’un réseau électrique à l’aide d’une machine à double alimentation. Le but recherché est de bénéficier de l’effet de d’amplification de la machine lorsque celle-ci est commandée par le rotor. En fait, lorsque l’on considère que le filtrage d’un seul harmonique, les grandeurs rotoriques, courant ou tension, peuvent être optimisées. Dans un premier temps, l’étude analytique générale du système de filtrage proposé est présentée. Ensuite, le cas du filtrage d’un harmonique particulier est développé. Enfin, les résultats analytiques obtenus dans ce cas sont confirmés par simulation. D.6. HARMONIQUE MODELING OF SYNCHRONOUS MACHINES W.J.Bonwick, 1988 IEE] [P.M. Hart, Le raccordement du convertisseur de puissance et d'autres charges non-linéaires au système de courant électrique a comme conséquence d'autres composants de système étant sujets à la déformation de forme d'onde de tension. Afin de prévoir le chauffage résultant et l'écoulement courant harmonique. Modèles pour des composants tels que les machines synchrones. Le présent de papier une étude théorique et expérimentale sur le comportement électrique des machines synchrones une fois soumis à la perturbation harmonique de tension sur les bornes. On montre que la nature de variation des inductances de machine a comme conséquence l'écoulement courant à une fréquence harmonique appliquée et associée. Par conséquences, il est insatisfaisant de modeler les machines par une réactance pure à chaque fréquence harmonique. 76 Annexe D D.7. A SYNCHRONOUS MACHINE MODEL FOR THREE-PHASE HARMONIC ANALYSIS AND EMTP INITIALIZATION [Wilsun W. Xu, Hermann W. Dome1, Jose R. Marti, IEEE 1991] Une machine synchrone peut produire des harmoniques dans des conditions de fonctionnement non équilibrées. Ses effets non-linéaires compliquent, également ; la réponse de la machine aux harmoniques d'autres sources. Un modèle synchrone triphasé de machine est développé dans cet article pour l'analyse de flux harmonique non équilibré de charge et pour initialiser des simulations de coupure d'EMTP. Deux effets non-linéaires, la conversion de fréquence et la saturation, sont représentés en même temps que les contraintes d'écoulement de charge de machine. Le modèle est sous forme de circuit équivalent triphasé lié à la fréquence. Il peut donc être facilement incorporé aux programmes harmoniques existants pour l'analyse des systèmes harmoniques D.8. SYNCHRONOUS MACHINE MODELING FOR LOW-FREQUENCY HARMONIC STUDIES [Vikas Singhvi, S. Mark Halpin, IEEE 2007] Actionner la qualité, et les harmoniques en particulier, est une issue importante dans n'importe quel système d'alimentation d'isolement dû à l'utilisation étendue des dispositifs électroniques de puissance non linéaire. Le problème harmonique dans un système d'isolement est bien plus amplifié en raison de l'absence d'une grille externe, qui est une caractéristique de base de tous les systèmes d'isolement (comme celui d'un bateau). Des études harmoniques sont donc entreprises sur une base assez régulière pour analyser et rectifier les problèmes liés aux harmoniques. Afin d'entreprendre de telles études dans n'importe quel système électrique, il est important de modeler exactement ses composants. Car il n'y a aucun équivalent de réseau ou « de système de transmission, » le générateur représente une partie importante d'un système d'alimentation d'isolement. Dans cet article, des modèles appropriés des générateurs synchrones pour des études harmoniques de basse fréquence sont présentés. Ces modèles sont développés en utilisant les représentations détaillées de « dqO » de la machine synchrone. D.9. EVALUATION OF THE EFFECTIVENESS OF PASSIVE AND DYNAMIC FILTERS FOR NON ACTIVE POWER IN A LARGE INDUSTRIAL PLANT [JHC Pretorius JD Van Wyk PH Swart , 1998 IEEE ] Cet article traite les facteurs techniques et économiques qui sont employés dans une évaluation pratique à une grande usine industrielle. Un modèle harmonique équilibré de pénétration a été développé sur un paquet de MathCad. Ce paquet utilise la superposition harmonique par la formulation nodale des matrices. En plus du calcul de tous paramètres nécessaires, le modèle fournit 77 Annexe D également des formes d'onde de domaine de temps des tensions. Des mesures réelles sont employées pour calibrer le modèle. D.10. NEW DYNAMIC INDUCTANCE CONCEPT AND ITS APPLICATION TO SYNCHRONOUS MACHINE MODELLING [ C.D. Manning, MSc, PhD,Mohamed A Abdel Halim, MSc, PhD , 1988 IEE] Les limites de tension des transformateurs dans les équations généralisées qui décrivent l'exécution de la machine électrique saturée dans des conditions dynamiques, impliquent une certaine erreur. Dans cet article, une méthode est présentée pour le calcul des inductances saturées dynamiques qu’une fois utilisé au lieu des statiques. Les limites de rotation de tension encore sont, correctement, calculées en utilisant les inductances saturées statiques conventionnelles. Pour vérifier la validité du concept dynamique d'inductance, un système composé d'un alternateur stratifié de pôle saillant avec l'excitation directe de thyristor a été étudié. Les résultats prévus pour l'application et le déplacement soudains de la bonne concordance du facteur de puissance d'expositions zéro équilibrées de charges avec des résultats d'essai. D.11. A SYNCHRONOUS MACHINE MODEL FOR THREE PHASE HARMONIC ANALYSIS AND EMTP INITIALIZATION [Wilsun W. Xu Hermann W. Dome1 Jose R. Marti , 1991 IEEE] Une machine synchrone peut produire des harmoniques dans des conditions de fonctionnement non équilibrées. Ces effets non-linéaires compliquent, également, la réponse de la machine aux harmoniques d'autres sources. Un modèle synchrone triphasé de machine est développé dans cet article pour l'analyse de flux harmonique non équilibré de charge et pour initialiser des simulations de coupure d'EMTP. Deux effets non-linéaires, la conversion de fréquence et saturation, sont représentés en même temps que les contraintes d'écoulement de charge de machine. Le modèle est sous forme de circuit équivalent triphasé lié à la fréquence. Il peut donc être facilement incorporé aux programmes harmoniques existants pour l'analyse au niveau système harmonique. D.12. HARMONIC CONTROL USING AND ACTIVE DRIVE [ P.Brogan, R.Yacamini, 2003 IEE] On présente une méthode par laquelle le courant harmonique dans un à deux niveaux, inverseur relié par réseau peut être commandé pour l'usage comme filtre actif en plus d'assurer la 78 Annexe D vraie puissance, par l'intermédiaire du lien intermédiaire de C.C à un inverseur de moteur. Avec l'utilisation des commandes variables de vitesse l'incorporation des redresseurs sinusoïdaux là existe la possibilité que le PWM a modulé la tension du d'entrée sinusoïdal, ou redresseur de réseau, pourrait être modulé pour injecter le courant harmonique dans le réseau. Ceci permettrait la compensation de la déformation harmonique de tension provoquée par d'autres charges nonlinéaires déjà reliées à la barre omnibus. On décrit l'utilisation d'une commande variable disponible dans le commerce de vitesse avec le redresseur sinusoïdal qui, de la tension tordue de barre omnibus, dérive les références courantes correctes avec lesquelles pour compenser la 5ème et 7ème déformation harmonique de tension. Le methode par lequel les références courantes harmoniques sont déterminées et la méthode par laquelle ils sont commandés est présenté en détail. Le concept d'employer la déformation de tension de forces au moment où l'accouplement commun comme rétroaction est justifié. D.13. HARMONIC CONVERGENCE IEEE STD 519-1992 HELPS DEFINE APPLICATION OF HARMONIC LIMITS [ Thomas m. Blooming & Daniel j. Carnovale , 2001 IEEE ] Il est utile de mesurer et des harmoniques de limite dans les systèmes électriques pour éviter des problèmes et la détérioration opérationnels d'équipement. IEEE STD 519-1992 définit des limites harmoniques, mais il y a une certaine confusion quant à la façon dont ces limites doivent être appliquées. Le soin devrait être pris pour indiquer si les harmoniques en question sont tension ou harmoniques du courant et s'ils sont en quantité réelle (volts ou des ampères) ou en pourcentage, dans ce cas on l'indique encore s'ils sont en pourcentage d'I1 (le plus commun) ou d'IL (comme pendant une évaluation rigoureuse de limites). L'intention générale d'IEEE 519 est de limiter le courant harmonique de différents clients et de limiter la déformation de la tension de système fournie par des utilités. Les clients ne devraient pas faire couler les courants harmoniques excessifs et les utilités devraient fournir une tension presque sinusoïdale. Le rapport d'ISC/IL doit être connu afin de déterminer quelle rangée des limites courantes harmoniques s'appliquent. Un point de confusion dans IEEE 519 est le PCC, qui est le point où un autre client peut être servi, indépendamment de propriété régulateuse d'endroit ou d'équipement (transformateur). Le but d'appliquer les limites harmoniques indiquées dans IEEE 519 est d'empêcher un client de poser des problèmes harmoniques pour un autre client ou pour l'utilité. L'IEEE 519 limites peut encore être employé comme un guide dans le service d'un client pour réduire au minimum des problèmes harmoniques. Un autre point de confusion dans IEEE 519 est la distinction entre TDD et THD. La différence entre les deux est que TDD exprime des harmoniques pendant qu'un pour cent d'une demande maximum charge le courant (IL) et THD exprime des harmoniques comme pour cent du 79 Annexe D courant (60 hertz) fondamental (I1) à l'heure de la mesure. Différents courants harmoniques devraient également être exprimés comme pour cent d'IL avant d'être comparé aux limites harmoniques en IEEE 519. La différence entre THD et TDD (et entre les harmoniques comme pour cent d'I1 et l'IL) est importante parce qu'elle empêche un utilisateur d'être injustement pénalisée pour des harmoniques pendant des périodes de charge légère. Quelques charges, telles que des commandes, ont un plus haut THD à la charge légère, quoiqu'elles dessinent le courant harmonique moins total en ampères et causent de ce fait moins de déformation harmonique de tension. Il n'est pas toujours pratique ou nécessaire de l'une ou l'autre mesure aux véritables valeurs de PCC ou de converti THD de TDD. Sachant l'IEEE 519 limites devrait être évalué, permet à un ingénieur de déterminer si son approche est assez bonne pour le travail actuel. D.14. HARMONIC MEASUREMENTS, ANALYSIS, AND POWER FACTOR CORRECTION IN A MODERN STEEL MANUFACTURING FACILITY [Douglas Andrews, Martin T. Bishop, John F. Witte, 1996 IEEE ] Le maximum du transfert électrique affecte directement la productivité d'une opération de four électrique à arc. Les fours à arc et les charges de laminoir fonctionnent aux facteurs de puissance qui ont comme conséquence des frais de pénalité et abaissent des tensions d'autobus. En outre, les caractéristiques non-linéaires des arcs de four et des commandes de laminoir produisent des courants harmoniques significatifs qui traversent l'usine et le système d'alimentation d'utilité. Ces courants harmoniques causent la déformation de tension de système et la perte de puissance dans le système, et peuvent agir l'un sur l'autre avec des banques de condensateur de compensation de phase menant aux échecs d'équipement. Cet article présente la technique analytique employée pour corriger le facteur de puissance dans un service de fabrication en acier moderne. Les mesures sur le terrain incluses par étude, l'analyse harmonique, et le travail de conception de filtre pour réduire la quantité de déformation harmonique à l'usine. Modeler des fours à arc et des laminoirs pour une étude harmonique d'analyse est également discuté. Les solutions recommandées en cet article pour augmenter le facteur de puissance et pour réduire des harmoniques peuvent être appliquées à d'autres équipements de fabrication en acier pour améliorer la qualité de puissance et donc la productivité végétale. 80 Annexe D D.15. HARMONIC EFFECTS CAUSED BY LARGE SCALE PV INSTALLATIONS IN LV NETWORK[M.C.Benhabib, J.M.A.Myrzik, J.L.Duarte, 2001 IEEE ] Dans la décennie suivante la quantité de générateurs décentralisés augmentera de manière significative dans les réseaux de distribution. Parmi les sources d'énergie soutenables, la recherche sur les générateurs photovoltaïques a suscité beaucoup d'attention, particulièrement l'étude des systèmes (picovolte) photovoltaïques résidentiels, qui a le potentiel de devenir un marché significatif. Les mesures en parc de pavillon dans le Netherland avec une pénétration élevée de picovolte ont montré beaucoup de déformations harmoniques au moment où l'accouplement. Là les harmoniques concernent des résonances et l'interaction des harmoniques du courant produits par les inverseurs et des harmoniques de tension venant de la grille. Cet article, étudiera l'influence des harmoniques du courant produits par les systèmes photovoltaïques reliés au réseau de basse tension et à l'interaction à d'autres charges non linéaires et à la tension de réseau. La base pour cette simulation est un voisinage dans les Pays Bas avec environ 96 maisons. Les simulations montreront l'effet de ces courants harmoniques produits par la grande quantité de systèmes photovoltaïques et de charges électroniques communes et l'interaction entre elles. D.16. HARMONIC DETECTION METHODS FOR ACTIVE POWER FILTER APPLICATIONS [IEEE INDUSTRY APPLICATIONS MAGAZINE • JULYAUG 2007 IEEE ] Cet article a évalué les méthodes utilisées généralement pour la détection harmonique dans des applications d'APF. Les simulations prouvent que le choix du filtrage numérique est un facteur principal pour obtenir la bonnes exactitude et dynamique d'une APF. D.17. MODELING OF SYNCHRONOUS MACHINES WITH MAGNETIC SATURATION [H. Rehaoulia, H. Henaob, G.A. Capolino , 2007 ELSEVIER ] Cet article traite une méthode pour dériver les modèles multiples de saturé autour des machines synchrones de rotor, basées sur différents choix des variables de statespace. En considérant les courants et les flux de machine comme vecteurs de l'espace, des modèles possibles de d–q sont discutés et en juste proportion numérotés. En conséquence plusieurs modèles de roman sont trouvés et présentés. On lui montre que tout le nombre de d–q modèle pour une machine synchrone, avec les amortisseurs de base, est 64 et donc beaucoup plus haut que connu. Des modèles trouvés sont classifiés dans trois familles : courant, flux et modèles mélangés. Ces derniers, les mélangés, constituent la majeure partie (52) et par conséquent offrent un grand choix. 81 Annexe D Concernant la saturation magnétique, le papier présente également une méthode pour expliquer quoi que le choix des variables du l'état-espace. L'approche se compose élaborer juste le modèle de saturation avec des courants d'enroulement en tant que variables principales et dériver tous autres modèles de elle, par des manipulations mathématiques ordinaires. Le papier souligne la capacité de l'approche proposée de développer n'importe quel modèle existant sans exception. Une application pour prouver la validité de la méthode et l'équivalence entre tous les modèles développés est rapportée. D.18. ANALYTICAL MODEL OF THE CROSS-MAGNETIZING EFFECT SATURATED SYNCHRONOUS MACHINES [Jung-Chien Li, 1996 ELSEVIER ] IN On propose un modèle analytique de l'effet croix-magnétisant dans des machines synchrones saturées en lesquelles une fonction polynôme de second ordre est employée pour rapprocher la courbe de magnétisation. Les tringleries magnétisantes de flux de d et de q-axe sont trouvées comme fonctions non-linéaires de forme close des courants magnétisants de d et de q-axe. La réciprocité magnétique apparaît dans ce modèle analytique et peut être appliquée à la simulation des machines synchrones saturées. Les équations de machine peuvent être linéarisées pour donner le modèle de petite taille de signal autour d'un point de fonctionnement, dont les valeurs propres associées peuvent être calculées. L'anomalie entre les exécutions de machine avec et sans la croixmagnétisation est manifeste aux charges lourdes dues à la saturation accrue. D.19. A TIME DOMAIN MODEL FOR TRANSIENT SIMULATION OF SYNCHRONOUS MACHINES USING PHASE COORDINATES [P. J. Lagace, M. H. Vuong and K. AlHaddad, 2006 IEEE ] Cet article présente un modèle synchrone de machine pour l'analyse passagère de système avec des méthodes trapezoïdal et d'Euler. Le modèle emploie des coordonnées de phase pour des enroulements de redresseur couplés à l'excitation et aux enroulements amortisseurs. La représentation de phase permet l'intégration des paramètres synchrones de machines dans la matrice du réseau YBUS de système d'alimentation. Une telle matrice permet la solution simultanée des machines et les équations nodales de réseau dans le domaine de temps. Le phénomène non linéaire tel que des effets de saturation peut également être incorporé et exiger quelques itérations additionnelles. Le temps de simulation peut être réduit plus loin pour de grands systèmes en employant la résolution et les techniques découplées de prévision sur le courant de machine. 82 Annexe D D.20. MODELING AND EXPERIMENTAL VALIDATION OF INTERNAL FAULTS IN SALIENT POLE SYNCHRONOUS MACHINES INCLUDING SPACE HARMONICS [X.Tu, L.-A. Dessaint, M.El Kahel, A.Barry,2006 ELSEVIER] Vu qu'on propose les harmoniques de l'espace provoqués par les enroulements censurés, un modèle de simulation des défauts internes dans des machines synchrones de poteau saillant en cet article. Le modèle est basé sur l'approche de fonction d'enroulement, qui ne fait aucune prétention pour la distribution symétrique sinusoïdale des enroulements de machine. Une nouvelle méthode de calcul des inductances synchrones de machine est présentée, dans lesquelles les harmoniques de l'espace produits par les enroulements sont aisément pris en considération. Des résultats de simulation pour les défauts internes sur les enroulements de redresseur d'un générateur à aucune charge et à la charge sont comparés aux résultats expérimentaux pour vérifier l'exactitude du modèle proposé. D.21. MODELING AND EXPERIMENTAL VALIDATION OF INTERNAL FAULTS IN SALIENT POLE SYNCHRONOUS MACHINES INCLUDING SPACE HARMONICS [X.Tu, L.-A. Dessaint, M.El Kahel, A.Barry,2006 ELSEVIER] Vu qu'on propose les harmoniques de l'espace provoqués par les enroulements censurés, un modèle de simulation des défauts internes dans des machines synchrones de poteau saillant en cet article. Le modèle est basé sur l'approche de fonction d'enroulement, qui ne fait aucune prétention pour la distribution symétrique sinusoïdale des enroulements de machine. Une nouvelle méthode de calcul des inductances synchrones de machine est présentée, dans lesquelles les harmoniques de l'espace produits par les enroulements sont aisément pris en considération. Des résultats de simulation pour les défauts internes sur les enroulements de redresseur d'un générateur à aucune charge et à la charge sont comparés aux résultats expérimentaux pour vérifier l'exactitude du modèle proposé. 83
