الجمهورية الجزائرية الديمقراطية الشعبية REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET وزارة التعليم العالي و البحث العلمي 1 جامعة قسنطينة DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE كلية علوم التكنولوجية UNIVERSITE CONSTANTINE I اإللكتروتقني: قسم Faculté des Sciences de la Technologie Département : Electrotechnique MEMOIRE DE MASTER OPTION : ELECTROTECHNIQUE Thème Commande scalaire d’un moteur asynchrone triphasé : conception et réalisation d’un onduleur triphasé et implémentation sur une carte ARDUINO. Présenté par : REMACHE Seif-el-islam Encadreur: DR. LOUZE LAMRI Promotion 2014/2015 1 Je dédie ce mémoire à : · Mes parents : Ma mère, qui a œuvré pour ma réussite, de par son amour, son soutien, tous les sacrifices consentis et ses précieux conseils, pour toute son assistance et sa présence dans ma vie, reçois à travers ce travail. Mon père, qui peut être fier et trouver ici le résultat de longues années de sacrifices et de privations pour m'aider à avancer dans la vie. Puisse Dieu faire en sorte que ce travail porte son fruit ; Merci pour les valeurs nobles, l'éducation et le soutient permanent venu de toi. Mon frère et ma sœur qui n'ont cessé d'être pour moi des exemples de persévérance, de courage et de générosité. Mes professeurs qui doivent voir dans ce travail la fierté d'un savoir bien acquis. 2 Mes remerciements vont tout premièrement, à dieu le tout puissant de m’avoir donné du courage et de la patience durant toutes ces années d’études. Je voudrais aussi exprimer mes sincères remerciements à Dr. Louze.L, Dr.Nemmour.A et Monsieur Pr. Khazzar.A le président de Laboratoire d’Electrotechnique Constantine LEC Pour la confiance qu’ils m’ont prodigué, pour leurs encouragements continus, pour le suivi et la direction de près de mon travail, ainsi que pour leurs conseils judicieux, leurs observations et leurs assistance pour mener à bien ce travail. Mes remerciements s’adressent également aux membres de mon groupe de travail qui m’encourage au travail collectif. 3 Sommaire Introduction générale. ............................................................................................................................................................................................ (8) Chapitre I ................................................................................................................................................................................................................ (9) Modélisation et commande scalaire de la machine asynchrone : 1-1- Introduction. .......................................................................................................................................................................................................... (10) 1-2- Hypothèses simplificatrices. ................................................................................................................................................. (10) 1-3- Modélisation de la machine asynchrone : ............................................................................................ (11) 1-3-1- Description paramétrique. ............................................................................................................................ (11) - • Définitions et notations. ...................................................................................................................................... (11) 1-3-2- Equations générales de la machine asynchrone triphasée. .... (12) 1-4- Commande scalaire. .............................................................................................................................................................................. (14) 1-5- Modèle de la machine asynchrone en régime permanant. ............................. (15) 1-5-1- Contrôle indirect du flux. 1-6- ........................................................................................................................ (17) Conclusion. ......................................................................................................................................................................................................... (17) Chapitre 2................................................................................................................................................................................................................ (18) Conception, Simulation et réalisation d’un onduleur triphasé : 2-1- Introduction. ...................................................................................................................................................................................................... (19) 2-2- Généralité sur les onduleurs en MLI. ....................................................................................................................................................... (19) 2-3- Classification des onduleurs. ..................................................................................................................................................................................... (20) 2-3-1- Onduleur autonome. ................................................................................................................................................................................................................... (20) 4 2-3-2- Onduleur non autonome. ................................................................................................................................................................................................ (20) 2-4- Principe de fonctionnement. ................................................................................................................................................................................................................ (21) 2-5- Onduleur triphasé en pont. ................................................................................................................................................................................................................... (21) 2-5-1- Principe de fonctionnement (une phase). .................................................................................................................................. (21) 2-6- Modélisation de l’onduleur triphasé. .............................................................................................................................................................................. (22) 2-6-1- Les tensions composées sont. ................................................................................................................................................................................ (23) 2-6-2- Les tensions simples sont. ............................................................................................................................................................................................ (23) 2-7- Simulation et réalisation de l’onduleur triphasé. ............................................................................................................................... (23) 2-8- Génération des signaux. ............................................................................................................................................................................................................................ (24) 2-9- Partie commande rapproché. ............................................................................................................................................................................... (24) 2-10- Circuit d’isolation. ......................................................................................................................................................................................................................... (24) 2-11- Circuit de commande des MOSFETs (DRIVER). ................................................................................................................................ (25) 2-12- Partie puissance. ........................................................................................................................................................................................................................................................ (26) 2-13- Réalisation de l’onduleur triphasé. .................................................................................................................................................................................. (26) 2-14- Simulation de l’onduleur. ...................................................................................................................................................................................................................... (27) 2-15- Création de circuit imprimé sous l’environnement ARES. ........................................................................................... (28) 2-16- Impression de la carte et emplacement des composants. ................................................................................................ (29) 2-17- Essais expérimentaux. ........................................................................................................................................................................................................................ (29) 2-18- Banc d’essai. .............................................................................................................................................................................................................................................................. (29) 2-19- Conclusion. ................................................................................................................................................................................................................................................................. (30) Chapitre 3......................................................................................................................................................................................................................................... (31) Etude expérimentale du projet : 5 1-Introduction. ....................................................................................................................................................................................................................................................... (32) 2-La carte arduino mega 2560............................................................................................................................................................................................ (32) vue ensemble. ........................................................................................................................................................................................................................................ (32) 3- La réalisation de la commande scalaire. ..................................................................................................................................................................................... (32) 3-2- La régulation du courant dans un circuit R-L muni d’une diode de roue libre. ............................. (33) 3-2-1- Résultats de la simulation de la régulation du courant dans un circuit R-L (Hacheur) sous l’environnement ISIS. .......................................................................................................................................................................................................................................................... (34) 4- La méthode du DDS. ................................................................................................................................................................................................................................................................ (34) 4-1- Les avantages de la méthode. ........................................................................................................................................................................................................................... (34) 4-2- La théorie de la méthode. ........................................................................................................................................................................................................................................... (35) 5- Résultat expérimentaux. ........................................................................................................................................................................................................................................................ (35) 6- Banc essai. ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. (36) Conclusion générale. ................................................................................................................................................................................................................................... (38) Bibliographie. ............................................................................................................................................................................................................................................................. (39) 6 7 Introduction générale : Le concept de machine asynchrone d’induction a environ 120 ans. Depuis, cette machine s’est imposée dans l’industrie. C’est le moteur le plus répandu. Relié au réseau électrique à fréquence fixe, il permet la réalisation de la majorité des entraînements à vitesse constante, cela dans une très large gamme de puissances. On devrait plutôt dire à vitesse « quasi constante », car ce moteur présente le gros intérêt, lorsqu’on lui demande un effort supplémentaire, de le fournir, mais en « glissant » c'est-àdire en diminuant légèrement sa vitesse (fonctionnement asynchrone) [1]. La mise en œuvre de ce moteur est aisée. Sur le réseau alternatif monophasé, il a fallu cependant trouver quelques « astuces » de démarrage, le moteur asynchrone d’induction a ainsi trouvé sa place pour certaines applications domestiques (entrainement de pompes, compresseurs…) où il se fait oublier par sa discrétion et sa robustesse [1]. C’est un moteur facile à construire, économique…On a donc pensé à lui pour la vitesse variable. Il y a quelques dizaines d’années, les solutions techniques de l’époque permirent d’obtenir une variation de vitesse en faisant davantage « glisser » le moteur. Actuellement, ce sont les alimentations électroniques de puissance à fréquence variable qui sont amplement utilisées pour obtenir cette variation de vitesse, certes aux prix d’une certaine complexité des alimentations et des commandes associées. [1] Dans ce travail, on s’intéresse à la conversion continu/alternatif, cependant, nous utiliserons une des commandes que nous avons implantées pour s’assurer de sa fonctionnalité [7]. Pour le premier chapitre on va modéliser la machine asynchrone à fin de pouvoir faire une commande scalaire en boucle fermée. Le second chapitre sera une simulation et réalisation d’un onduleur de tension triphasé. Finalement, le dernier chapitre sera une étude expérimentale sur la commande scalaire Et implémentation sur une carte arduino Méga. 8 9 1-1- Introduction : La machine asynchrone, en raison de son faible coût et de sa robustesse, constitue actuellement la machine la plus utilisée pour réaliser des variateurs de vitesse. La commande scalaire, la plus ancienne et la plus rustique, correspond à des applications n’exigeant que des performances statiques et dynamiques moyennes. De nombreux variateurs équipés de ce mode de contrôle sont utilisés, en particulier pour des applications industrielles de pompage, climatisation, ventilation. Le contrôle scalaire de la machine asynchrone consiste à imposer aux bornes de son induit, le module de la tension ou du courant ainsi que la pulsation. Ce mode de contrôle s’avère le plus simple quant à sa réalisation, mais également le moins performant, surtout pour les basses vitesses de fonctionnement. Cependant, au niveau des puissances installées, la plupart des variateurs ne justifient pas un contrôle très performant. Pour des variateurs dont la plage de vitesse ne dépasse pas un rapport 3 ou 4 entre les vitesses extrêmes (ventilation, climatisation, centrifugeuses...) et pour lesquels il n’y a pas de fonctionnement à vitesse très faible et à fort couple de charge, le contrôle scalaire donne des performances satisfaisantes. Il est donc important de donner un certain nombre d’informations sur les variateurs asynchrones avec contrôle scalaire. 1-2- Hypothèses simplificatrices :[3],[5] Les hypothèses généralement admises dans le modèle de la machine asynchrone sont : - La parfaite symétrie de la machine (entrefer constant). - L’absence de saturation et de pertes dans le circuit magnétique (l’hystérésis et les courants de Foucault sont négligeables). - Distribution spatiale sinusoïdale des forces magnétomotrices d'entrefer. - L’alimentation est réalisée par un système de tensions triphasées symétriques. - Effet des encoches négligé. - Les influences de l'effet de peau et des échauffements des conducteurs sont négligées. 10 1-3- Modélisation de la machine asynchrone en régime permanent: 1-3-1- Description paramétrique : [6] La machine asynchrone triphasée est constituée de trois enroulements identiques logés symétriquement dans les encoches du stator et d’une cage conductrice intégrée au rotor, assimilable électriquement à trois enroulements identiques parfaitement symétriques et en court-circuit. La machine est représentée à la figure (1-1) par ses six enroulements dans l’espace électrique ; l’angle α repère l’axe de la phase rotorique de référence ⃑ par rapport à l’axe fixe de la phase statorique de référence .Les flux sont comptés positivement selon les axes des phases ; le sens des enroulements est repéré conventionnellement par un point (.) : Un courant positif entrant par le point crée un flux positif dans l’enroulement. Définitions et notations :[6] s,r p : indices respectifs du stator et du rotor ; : nombre de paires de pôles ; : Résistance et inductance propre d’une phase statorique ; : Résistance et inductance propre d’une phase rotorique ; : Coefficient de mutuelle inductance entre deux phases du stator ; : Coefficient de mutuelle inductance entre deux phases du rotor ; : Maximum de l’inductance mutuelle entre une phase du stator et une phase du rotor ; il est obtenu lorsque les axes sont alignés ; α/p : angle mécanique entre ⃑ et ; α 𝛺 : angle électrique entre ⃑ et ; : tensions d’alimentation des phases , , ; : courants statoriques des phases , , ; : tensions aux bornes des phases , , , (=0) ; : courants rotoriques des phases , , ; : Pulsation instantanée des courants statoriques ; : Pulsation instantanée des courants rotoriques ; : vitesse angulaire de rotation 𝛺= ; : vitesse angulaire du champ tournant ; : vitesse angulaire électrique, ; : Couple électromagnétique. 11 Figure (1-1) – Représentation des enroulements de la machine asynchrone triphasée. Les coefficients instantanés de mutuelle inductance entre le rotor et le stator s’expriment en fonction de et de α. ( ) On pose : ( ( ) ) 1-3-1- Equations générales de la machine asynchrone triphasée : [6] Considérons l’un des six enroulements et exprimons la relation v, qui lui est appliquée, le courant i et le flux totalisé φ (figure 1-2). Loi de la maille : v = r.i - e Loi de Faraday : e = D’où v= r.i + Figure (1-2 ) : Modèle d’une phase avec force électromotrice. 12 On déduit pour l’ensemble des phases [ [ ] Ou , [ ][ - , -, -+ , ] ]+ - [ [ ] Ou , [ ][ - , -, -+ [ ] ]+ ] [ ] , - Une matrice des inductances , ( )- établit la relation entre les flux et les courants ; elle comporte 36 coefficients non nuls et dont la moitié dépend du temps par l’intermédiaire de α (position du rotor). Soit : [ [ ] ] La matrice des flux réels fait apparaitre quatre sous-matrices d’inductances : ( ) ( ) [ ] [ , , - , ] [ , - ( ) ( ) ] Avec , - ] et , - [ [ ] ( ) , - , [ ( ( ) ( ) ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ] Finalement, , - , -, - + *, , - , -, - + {, -, - , - , - , - , -+ - , -} 13 Le modèle de la machine asynchrone dans le repère de park lié au champ tournant est donné par : Avec : Le couple électromagnétique : ( ) 1-4- Commande scalaire : La commande scalaire est la plus simple et la plus répandue dans la majorité des applications industrielles. Le contrôle scalaire ne permet pas d’avoir une bonne précision dans la réponse de la vitesse et du couple suite à la simplicité de sa structure qui tient compte uniquement du régime permanent. Le flux statorique et le couple ne sont pas directement commandés et les paramètres des machines alternatives doivent être correctement identifiés. La précision de la vitesse est faible et la réponse dynamique est lente [3]. Parmi les méthodes de la commande scalaire est la commande indirecte ou le flux magnétique est contrôlé, elle est réalisée sur la base du maintien du rapport tension- fréquence égal à une constante (V/f = cst). La commande scalaire indirecte est aussi deux types : - Le premier c’est la commande scalaire en courant. Pour les machines entraînées par des onduleurs en courant (généralement de fortes puissances). - Le deuxième c’est la commande scalaire en tension. Connais aussi sur le nom " commande en V/f ", pour les machines entraînées par des onduleurs en tension (sont généralement de moyennes et de faibles puissances). 14 Pour expliquer le principe de la commande scalaire on fait appel à la modélisation de la machine en régime permanant. 1-5- Modèle de la machine asynchrone en régime permanant : [7] Si les tensions d’alimentation sont triphasées équilibrées, on peut écrire : ̂ { ( ) ̂ ( ) ̂ ( ) Choisissons de fixer le repère dq au champ tournant. Notons la pulsation statorique (on est bien en régime permanant sinusoïdal). De même, nous noterons La pulsation rotorique et 𝛺 La pulsation mécanique. ̂ ̂ { ( ( ) ) ̂ { On peut réécrire tout le système d’équation en introduisant la notation complexe : ̅ ̅ ( ̅ ( D’ou ̅ ̅ { { ) ̅ ̅ ̅ ̅+ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ) ( ( ) ) mais comme on est en régime permanant( ̅ ): avec ̅ ̅ ̅ ̅ ( ̅ ̅ ̅ { ( ̅ ̅+ ̅+ Et Or )+ )+ ̅ ̅ ̅ ( ( ̅ ̅) ̅) Figure (1-3): Schéma par phase en régime permanent. On aboutit alors au schéma de la figure (1-3) Et si on néglige la chute ohmique due à on trouve : [3] 15 ̅ ̅ ̅ ̅ On peut écrire le module sous la forme suivante : En fixant le rapport afin de commander le moteur asynchrone comme un MCC à excitation séparée. L’influence du terme n’est néfaste que pour les faibles valeurs de , la stratégie de commande consiste donc à introduire un ( )pour les faibles valeurs de . Une fois le flux est contrôlé, la deuxième étape consiste à commander le couple, qui peut être écrit sous la forme suivante : . / . / ( ) Or pour un point de fonctionnement proche du synchronisme on peut considérer : . / ( ) Le couple électromagnétique s'écrit donc : . / En fait garder le rapport revient à garder le flux constant. Quand la tension atteint sa valeur maximale, on commence alors à décroître ce rapport ce qui provoque une diminution du couple que peut produire la machine. On est en régime de défluxage, ce régime permet de dépasser la vitesse nominale de la machine. Le régime de défluxage est réalisable par une fonction non linéaire, de ce régime, on peut déterminer la composante du flux statorique (de référence) à partir de la vitesse mécanique du rotor en utilisant un capteur de vitesse. { | | |𝛺| 𝛺 |𝛺| 𝛺 16 1-5-1- Contrôle indirect du flux :[8] Le flux sera contrôlé indirectement à partir des courants statoriques ou des tensions statoriques définies en régime permanent sinusoïdale. 1-6- Conclusion : En effet, la première commande qui a était introduite dans l'industrie était la commande scalaire, très répandue pour sa simplicité et son coût réduit, elle a occupé une grande partie des applications industrielles à vitesses variables, et c’est pour cela nous avons besoin d’un onduleur de tension triphasé qui sera notre second chapitre. 17 18 2-1- Introduction : [3] Un onduleur est un convertisseur statique, assurant la conversion de tension continue vers l’alternative. Pour obtenir une tension alternative à partir d’une tension continue, il faut découper la tension d’entrée et l’appliquer tantôt dans un sens, tantôt dans l’autre. Il est donc possible de produire à la sortie du convertisseur une tension alternative de valeur moyenne nulle. Cette tension peut comporter un ou plusieurs créneaux par alternance suivant qu’il s’agit d’une commande à un créneau par alternance où d’une commande par modulation de largeur d’impulsion (MLI). Les structures des convertisseurs nous conduit à distinguer deux types d’onduleurs Les onduleurs de tension Les onduleurs de courant 2-2- Généralité sur les onduleurs en MLI: [9] Les convertisseurs de courant continu en courant alternatif sont appelés des onduleurs. La fonction d’un onduleur est de convertir une tension continue d’entrée en une tension de sortie alternative symétrique d’amplitude et de fréquence désirée. La tension de sortie variable peut être obtenue en variant la tension continue d’entrée et en maintenant le gain de l’onduleur constant. D’autre part, si la tension d’entrée est fixe et qu’elle soit non contrôlable, une tension de sortie variable peut être obtenue en variant le gain de l’onduleur. Il y a plusieurs techniques pour obtenir cette variation, la technique de modulation des largeurs d’impulsions MLI est la plus répandue. Elle consiste à changer la largeur des impulsions de la tension de sortie avec des commandes appropriées des interrupteurs à semi-conducteurs de l’onduleur. Le gain de l’onduleur peut être défini comme le rapport entre la tension alternative de sortie et la tension continue d’entrée. La forme d’onde de la tension de sortie d’un onduleur idéal doit être sinusoïdale. Cependant, cette forme d’onde n’est pas sinusoïdale en pratique et contient quelques harmoniques. Ce qui veut dire qu’il existe des harmoniques de tension. Le but serait donc d’obtenir à la sortie un signal avec un taux de distorsion harmonique le plus faible possible. 19 Pour des applications de faibles et moyennes puissances, les tensions de forme d’onde carrée ou quasi-carrée pourront être acceptables ; alors que pour les applications de fortes puissance une forme d’onde sinusoïdale avec un faible taux de distorsion des harmoniques est exigé. Avec la disponibilité des dispositifs semiconducteurs de puissance à haute vitesse, l’harmonique contenue dans la tension de sortie peut être minimisée ou réduite significativement par des techniques de commande. Les onduleurs sont largement utilisés dans les applications industrielles par exemple : variateur de vitesse des moteurs à courant alternatif, chauffage par induction. L’entrée d’un onduleur peut être une batterie, une tension continue issue des panneaux solaire, ou d’autre source de courant continu obtenus à partir d’un redressement monophasé ou triphasé comme le montre la figure (2-1) ci-dessous. Figure(2-1) : Principe de fonctionnement de l’onduleur 2-3- Classification des onduleurs :[9] Il existe plusieurs de schémas d`onduleurs, chacun correspondant à un type d`application déterminé ou permettant des performances recherchées. Les onduleurs sont en général classés selon les modes de commutation de leurs interrupteurs. 2-3-1- Onduleur autonome : C’est un système qui nécessite des composants commandés à la fois à la fermeture et à l'ouverture, de fréquence variable, dont les instants de commutations sont imposés par des circuits externes. La Charge est quelconque. Cet onduleur n'est pas réversible. 2-3-2- Onduleur non autonome : Dans ce cas, les composants utilisés peuvent être de simples thyristors commandés uniquement à la fermeture et la commutation est "naturelle" contrairement à l'onduleur autonome. 20 L'application principale de ce type d'onduleur se trouve dans les variateurs pour moteurs synchrones de très forte puissance où les thyristors sont souvent les seuls composants utilisables. 2-4- Principe de fonctionnement :[9] Le principe de fonctionnement d’un onduleur est basé sur l’électronique de commutation, on génère une onde de tension alternative à partir d’une tension continu comme le montre la figure (2-2). Figure (2-2) : Symbole et signal d’un onduleur. 2-5- Onduleur triphasé en pont : L’onduleur triphasé en pont est constitué de trois cellules de commutation (figure 2-3). On retrouve évidemment une structure différentielle dans laquelle les tensions triphasées sont obtenues de façon composée sur les trois bornes de sortie. L’onduleur triphasé doit évidemment, en régime normal, délivrer un système de tension dont les composantes fondamentales forment un système équilibré. Figure (2-3): Montage d’un onduleur triphasé. 2-5-1- Principe de fonctionnement (une phase): Dans la configuration de l’onduleur triphasé, la cellule de commutation peut donc être considérée comme une phase de l’onduleur, la composante alternative de sa tension de sortie constituant une tension simple comme le montre la figure (2-4) ci-dessous pour chaque tension. 21 Figure (2-4) : Allure des tensions simples de l’onduleur triphasé. 2-6- Modélisation de l’onduleur triphasé :[9] L’onduleur triphasé dit deux niveaux est illustré par son circuit de puissance de la figure (2-5). On doit distinguer d’une part les tensions de branche VAN, VBN, VCN mesurées par rapport à la borne négative de la tension continue Vpv, d’autre part, il y a les tension de phases VAn, VBn et VCn mesurées par rapport à un point neutre flottant n représentant une charge équilibrée montée en étoile. Des tensions simples on peut tirer facilement les tensions composées VAB, VBC et VCA. Figure (2-5) : Circuit de fonctionnement de l’onduleur triphasé Dans le circuit de puissance de l’onduleur triphasé de la figure (2-5), il est à noter que les états des interrupteurs d’un même bras sont complémentaires. En utilisant ces états des interrupteurs, nous pouvons obtenir les tensions de branche de sortie 22 de l’onduleur mesurées par rapport à la borne négative de la tension du côté continu comme suit : = . = . (I.1) = . Où , et désignent les états des interrupteurs des phases A, B et C Respectivement. 2-6-1- Les tensions composées sont : ( ) ( ) ( ) (I.2) On peut écrire l’équation (I.2) sous la forme matricielle : [ ] [ ] (I.3) [ ] 2-6-2- Les tensions simples sont : [ ] ( ⁄ ) ( ⁄ )( ) ( ⁄ ) ( ⁄ )( ) ( ⁄ ) ( ⁄ )( ) [ ][ ] (I.4) 2-7- Simulation et réalisation de l’onduleur triphasé : L’onduleur triphasé réalisé constitué de trois parties principales: [4] Génération des signaux (carte de commande). Partie commande rapproché. Partie Puissance. 23 2-8- Génération des signaux : [4] Pour générer des signaux de commande, et les transmettre, on a utilisé une carte ARDUINO MEGA, dont les Timers et les sorties numériques sont assez suffisantes. Avec cette carte on a pu créer une commande à modulation de largeur d’impulsions (MLI) ou (PWM) pour chaque bras d’onduleur. 2-9- Partie commande rapproché : Un signal d’entrée généré par l’ARDUINO est de type logique 5v, il va attaquer les optocoupleurs, qui vont séparer la partie commande et la partie puissance du circuit. Six signaux sont complémentaires et en retard de 4us l’un de l’autre, chaque deux signaux attaquent un driver qui va amplifier le signal jusqu’à 15v, pour pouvoir commander les transistors de l’onduleur. Figure (2-6) : Principe de la commande rapproché. [4] 2-10- Circuit d’isolation : Notre circuit comporte 3 optocoupleurs de type TLP2630 (Optoelectronics) Fig. (2-7), Ce composant est ultra rapide et il peut supporter des hautes fréquences monte supérieure à 4KH suffisante pour une commande MLI. [4] Figure (2-7) : Optocoupleur TLP 2630 [10] 24 2-11- Circuit de commande des MOSFETs (DRIVER) :[3] Dans la plupart des convertisseurs de puissance, les composants de puissance MOSFET et IGBT sont pilotés par des DRIVER, Celles-ci doivent assurer plusieurs fonctions : La commande des instants de Figure (2-8) : Connexion du driver IR2113 [8] commutations (PWM). L’alimentation de la grille du composant de puissance. Le Driver est un circuit intégré qui permet le pilotage en haute fréquence de 2 MOSFET ou de 2 IGBT, sous des tensions pouvant atteindre 600v, en garantissant l'isolation électrique de chaque étage. On choisit d’utiliser un circuit intégré spécialisé, le Driver IR2113 fabriquant (International Rectifier). Notre circuit constitue de trois drivers permettant le pilotage des six MOSFETS, comme les deux transistors d’un même bras sont des « canal N », il est nécessaire de disposer d’une commande « flottante » (c.- à-d. qui ne soit pas liée à un potentiel fixe du circuit) pour les transistors « du haut » (c.-à-d. celui dont le drain est connecté au positif de l’alimentation de puissance), celui du haut pouvant être porté à une tension de 500V ce qui est nettement plus que ce qui nous est nécessaire, L’alimentation de la logique de commande de ces transistors est réalisée par une technique dite de « bootstrap » : l’électronique de commande des transistors MOS de puissance du haut est alimentée par les condensateurs (figure (2-8)), dont la recharge est assurée par connexion à l’alimentation 15V pendant le laps de temps où le transistor du bas conduit, ce condensateur étant ensuite déconnecté pour servir l’alimentation autonome lorsque le transistor du haut et son électronique de commande se trouvent portés au potentiel haut de la source. Dans ce montage, les condensateurs C (CAPPA) assurent le filtrage des alimentations, VCC et VB. La tension VCC doit être comprise entre 10v et 20v, la tension VDD entre 4,5v et 20v. L'alimentation VB est obtenue à partir de VCC, par charge de CAPPA à travers D7 lorsque Q2 est saturé. 25 Le temps mort crée par le Driver est 100ns, pour des faibles courants on peut voir la conduction des transistors mais il y a un risque de court-circuiter la source par l’augmentation du courant [4]. Pour la résolution de ce problème on a créé un temps mort de 4 us fig.(2-9) et il est nécessaire d’éviter un courtcircuit des deux transitoire d’un même bras [4]. Fig. (2-9) : un retard de 4 us entre deux signaux complémentaires 2-12- Partie puissance : Le bloc de puissance comporte : Un pont à six transistors de puissance, on choisit d’utiliser des MOSFETs de type IRFP460, ils sont capables de tenir une différence de potentiel de 500V entre drain et la source (VDSS) et un courant de drain de 20A (ID), Ces transistors seront identifiés Q1, Q2…Q6 sur le schéma complet, les grilles des transistors seront commandées chacune par l’intermédiaire d’une résistance ont la valeur nominale est référencée par le constructeur est de 22Ω, Cette résistance a pour effet de ralentir certaines phases de la commutation de façon à obtenir un compromis entre dV/dt maximum et pertes par commutation. On notera que, dans les conditions de fonctionnement qui seront les nôtres la tension de grille nécessaire à la mise en conduction d’un transistor est 15V (VGS). Diodes de ROUE LIBRE on antiparallèles au transistor MOS a but d’assurer la continuité de courant. Radiateurs de refroidissement. Source d’alimentation continue. L’objectif de bloc de puissance est générer des ondes de tension et de courant alternatives de forme proche d’une sinusoïde. 2-13- Réalisation de l’onduleur triphasé : L'onduleur réalisé contenir tous les parties qu’on mentionner dans (le titre N=4) C.-à-d. un seul circuit comporte la carte ARDUINO, partie de commande rapproché et la partie de puissance. 26 Notre réalisation ce passe par plusieurs étapes : Simulation de circuit sous l’environnement ISIS. Création de circuit imprimé sous l’environnement ARES. Impression de la carte et emplacement des composants. 2-14- Simulation de l’onduleur : Le Schéma ci-dessous présente le montage d’un onduleur triphasé sous ISIS : J9 1 2 CONN-SIL2 J3 1 2 CONN-SIL2 U1:A J4 1 2 3 SIM1 J7 www.arduino.cc blogembarcado.blogspot.com AREF 13 12 ~11 ~10 ~9 8 RESET 5V DIGITAL (PWM~) AT M EL ARDUINO ANALOG IN A7 A11 A12 A13 A14 A15 COMMUNICATION A8 A9 A10 7 ~6 ~5 4 ~3 2 TX0 > 1 RX0 < 0 SIMULINO MEGA A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 ATMEGA2560 POWER GND TX3 RX3 TX2 RX2 TX1 RX1 SDA SCL R16 74F08 74F08 U1:B U2:D 4 1 2 3 4 5 6 7 8 CONN-SIL8 J8 2 R17 74F08 3 CONN-SIL8 10uF 10uF R11 20k 10 11 12 2 R18 74F08 74F08 3 LIN 6 2 7 3 6 6 5 74F08 R19 74F08 R13 R20 74F08 U2:B D5 30EPH06 R23 R24 10k 10k 10k PHASE 1 1 PHASE CONN-SIL1 3 C222 CAPA4470nF 10uF 3 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 49 51 47 53 74F08 30EPH06 11 R14 HIN LIN 7404 2 20k INVER2:A Q6 D4 CONN-SIL1 IRFP460 D6 30EPH06 30EPH06 6 R6 7 5 1 20 R7 SOURCE1 CONN-SIL1 IR2112 1N4007 2 7 3 6 R15 20k CAPA5 C333 CAPA6470nF 10uF 10uF DRIVER3 3 10 12 HIN VC VB COM HO VS LO SD LIN 6 R8 7 5 1 20 R9 20 2 7404 IRFP460 20 11 INVER4:A VB HO VS LO 2 OPTO6 R21 OPTOCOUPLER-NAND 1 VC COM SD 1k INVER1:A Q4 D2 OPTOCOUPLER-NAND 11 13 74F08 IRFP460 D9 12 6 5 6 Q2 DRIVER2 3 1k U3:D 4 IR2112 INVER5:A 1 7404 2 7404 INVER3:A 2 30EPH06 R22 20 10uF 12 7 8 10 74F08 7404 D3 IRFP460 R5 CAPA3 20k OPTO5 2 3 2 1 30EPH06 20 Q5 D8 10 U3:C 9 2 D1 IRFP460 1 1N4007 OPTOCOUPLER-NAND U2:A 1 1 R4 Q3 PHASE CONN-SIL1 2 20k 1k CONN-SIL8 2 7 5 1 IR2112 IRFP460 R12 OPTO4 4 11 13 1 HO VS LO Q1 6 1 U3:B 12 DIGITAL COM SD OPTOCOUPLER-NAND CONN-SIL7 VB 1k U1:D 14 15 16 17 18 19 20 21 CONN-SIL1 VC 2 7 1 470nF DRIVER1 3 HIN OPTO3 2 SOURCE+ CAPA2C111 CAPA1 OPTOCOUPLER-NAND 3 8 6 1N4007 20k 1k U3:A 1 9 1 2 3 4 5 6 7 7 11 U1:C R10 OPTOCOUPLER-NAND 13 74F08 J1 6 OPTO2 10 1 2 3 4 5 6 7 8 7 3 1k 12 6 5 1 2 3 4 5 6 7 8 D7 2 8 10 CONN-SIL7 J5 OPTO1 9 3 2 CONN-SIL3 SIMULINO MEGA U2:C 1 1 2 3 4 5 6 7 J6 INVER6:A 1 2 7404 Montage de l’onduleur triphasé sous ISIS Les résultats obtenus de l’onduleur commandé par une commande MLI pour une charge RL : Nous avons obtenu un courant sinusoïdal et symétrique 27 Courant pour une charge RL 2-15- Création de circuit imprimé sous l’environnement ARES : On a créé ce circuit avec l’environnement ARES sous ISIS proteus : Le circuit imprimé sous Ares 28 2-16- Impression de la carte et emplacement des composants : On a placé les composants électroniques sur la carte imprimé : La carte de l’onduleur 2-17- Essais expérimentaux : Avant que nous testons notre onduleur sur une machine alternative nous avons testé d’abord les signaux a la sortie des drivers et nous avons obtenu (fig. 2-10) Fig. (2-10) 2 signaux complémentaires Un ZOOM 2-18- Banc d’essai : Malgré que les signaux a la sortie des drivers sont bon, et que nous avons fait plusieurs tests mais malheureusement on a eu un problème avec notre onduleur, et on n’arrive pas à le découvrir : 29 Banc d’essai de l’onduleur 2-19- Conclusion : Nous avons réalisé notre onduleur a fin de commander le moteur asynchrone mais à cause de ce dilemme, on a utilisé un onduleur du LABO (SEMIKRON) pour pouvoir continuer notre projet. 30 31 1- Introduction : Pour notre étude, on va commander le moteur asynchrone par une commande scalaire en boucle fermée, Pour varier la vitesse d'une machine asynchrone triphasée en alimentant son stator avec des tensions et fréquences variables, à partir du réseau triphasé à tension et fréquence fixes, et en attaquant l’onduleur avec une commande MLI qu’on a créé avec une carte arduino Mega. 2- La carte arduino mega 2560 : On a choisi cette carte parce qu’on a besoin plus de timers et plus de sorties du signal MLI. Vue ensemble ; La carte Arduino Mega 2560 est une carte à microcontrôleur basée sur un ATmega2560 Cette carte dispose : - de 54 broches numériques d'entrées/sorties (dont 14 peuvent être utilisées en sorties PWM (largeur d'impulsion modulée)), - de 16 entrées analogiques (qui peuvent également être utilisées en broches entrées/sorties numériques), - de 4 UART (port série matériel), - d'un quartz 16Mhz, - d'une connexion USB, - d'un connecteur d'alimentation jack, - d'un connecteur ICSP (programmation "in-circuit"), - et d'un bouton de réinitialisation (reset). 3- La réalisation de la commande scalaire : Le premier essai que nous avons fait est la commande scalaire en boucle ouverte (V/f constant). C'est-à-dire, nous avons limité la fréquence entre 0 et 50hz, et donc l'amplitude entre 0 et 0.9 à l'aide d'un potentiomètre. La deuxième tâche que nous avons fait consiste, premièrement, à capter la vitesse du moteur avec un codeur incrémental et deuxièment, à fermer la boucle en introduisant le régulateur de vitesse qui nous permet de calculer la fréquence tout en revenant à la vitesse de référence partant de (ωs/2π). 32 Tout ceci influence automatiquement sur le M, à travers lequel nous pouvons lire les signaux. Par la suite, nous réussirons à influencer sur l'onduleur par la fréquence et l'amplitude des signaux MLI en boucle fermée grâce au régulateur. 3-1- Le codeur incrémental : Le codeur incrémental est un capteur angulaire de position. Il est destiné à des applications de positionnement, de contrôle de déplacement ou de mesure de vitesse d'un mobile, par comptage et décomptage des impulsions qu'il délivre. Son axe est lié mécaniquement à l’arbre de la machine qui l’entraîne. Il fait tourner un disque incassable comportant des zones opaques et transparentes. Une diode L.E.D. émet un rayonnement lumineux arrivant sur des photodiodes au passage de chaque zone transparente du disque. Le codeur incrémental délivre des impulsons permettant la définition d’une direction et un comptage. On a utilisé Le codeur GI355 (de 1024 impulsions) par tour qu’on a le placer sur l’arbre du notre moteur chez le tourneur, et grâce au programme de bouchoukh faysal (étudiant en master 2 2014) on a pu capter la vitesse. 3-2- La régulation du courant dans un circuit R-L muni d’une diode de roue libre : Pour des raisons de méthodologie, nous avons décidé de commencer par la régulation du courant circulant dans un circuit RL qui est alimenté par un hacheur série ; la régulation est réalisée moyennant un régulateur de type PI. Le schéma de montage est validé sous l’environnement du logiciel ISIS comme le montre la figure suivante : 33 3-2-1 Résultats de la simulation de la régulation du courant dans un circuit R-L (Hacheur) sous l’environnement ISIS: On a réalisé un hacheur Série sur isis proteus et on voit que le courant et suit la référence. Poursuite du courant au signal de référence (sinus) la commande MLI de hacheur 4- La méthode du DDS : DDS (Direct digital synthesis) c’est la Synthèse numérique directe, est une technique pour l'utilisation de blocs de traitement de données numériques comme cela signifie pour générer un signal de sortie en fréquence et en phase accordable en référence à une fréquence fixe de la source d'horloge de haute précision. En substance, la fréquence d'horloge de référence est "divisée vers le bas" dans l'architecture du DDS par le facteur d'échelle indiqué dans un système binaire programmable. L'accordage est généralement de 24 à 48 bits qui permettent une mise en œuvre du DDS à fournir une fréquence de sortie supérieure de la résolution d'accordage.[11] 4-1- Les avantages de la méthode : La résolution de réglage de la fréquence de sortie, et le degré de sousréglage de la capacité de phase, et le tout sous un contrôle numérique complet. Extrêmement rapide "Vitesse de saut" de la fréquence de sortie de réglage (ou phase). L'architecture numérique DDS élimine la nécessité de la mise au point du système d'emploi et ajustements. 34 L'interface de control numérique de l'architecture DDS facilite un environnement où Les systèmes peuvent être contrôlés à distance, et minutieusement optimisés, sous le contrôle du processeur.[11] 4-2- La théorie de la méthode : Dans sa forme la plus simple, un synthétiseur numérique direct peut être mis en œuvre à partir d'une référence de précision Horloge, un compteur d'adresse, une mémoire morte programmable (PROM), et un convertisseur N / A (voir Figure (3-1). Fig. (3-1) Dans ce cas, les informations d'amplitude numérique qui correspond à un cycle complet d'une onde sinusoïdale sont mémorisées dans la mémoire PROM. La PROM est donc fonctionne comme un tableau de consultation de sinus.[11] 5- Résultat expérimentaux : On a donné une vitesse de référence de 450tr/min et on a obtenu des résultats comme suit : 35 6- Banc essai : Notre banc d’essai est composé d’un moteur asynchrone triphasé 1.1 kW, un onduleur triphasé SEMIKRON 3kW, un capteur de vitesse GI355, une carte Arduino-Mega ainsi que des circuits électroniques dédiés pour la communication entre les différents composants (codeur incrémentale, carte arduino, onduleur). Le moteur asynchrone utilisé présente les paramètres suivants : Paramètres Valeurs Rs 4.89 𝛺 Rr 1.32 𝛺 Ls 0.42 H Lr 0.026 H M 0.063 H J 0.06 Kg. m2 F 0.008 Kg. m2/s P 2 Les paramètres de la machine asynchrone et le gain proportionnel (Kp) et intégral (Ki). 36 37 7- Conclusion générale : Le travail présenté dans ce mémoire concerne la réalisation d’un onduleur de tension triphasé et faire un contrôle scalaire d’une machine asynchrone triphasée. Il repose sur un modèle en régime permanent. Il est simple à implanter. Le contrôle scalaire exige une puissance de calcul qui est à la portée des cartes ARDUINO et microcontrôleurs actuels pour une implémentation numérique.[5] Au court de notre travail, nous avons réalisé un banc d’essai pour la commande scalaire en boucle fermée que ce soit la carte de commande à base d’Arduino, un algorithme numérique a était implanté en utilisant la synthèse numérique directe ainsi que une carte d’interface entre la commande et le circuit de puissance.[5] Le premier chapitre de ce mémoire a été consacré à la modélisation de la machine asynchrone en vue de sa commande. Le second chapitre a été sur la simulation et la réalisation de l’onduleur triphasé. Finalement, le troisième chapitre a été consacré pour la réalisation d'un banc d'essai pour la commande en V/f en boucle fermée de la machine asynchrone. 38 1- Bibliographie : [1]- Max Marty, Daniel Dixneuf, Delphine Garcia Gilabert « Principes d’électrotechnique » Livre DUNOD [2]- Bernard de FORNEL « Machines asynchrones - Commande par contrôle scalaire», D3622. [3]- BOUDOUH SOFIAN ‘’ Commande scalaire de la machine asynchrone avec l’injection de l’harmonique 3 ‘’ mémoire du master,univ mentourie constantine 2011. [4]- TALBI TAHAR ‘’ CONCEPTION ET REALISATION D’UN ONDULEUR DE TENSION TRIPHASE COMMANDE PAR UNE CARTE ARDUINO ’’ mémoire de master 2014. [5]- Guermache Hanane ‘’ commande scalaire de la machine asynchrone ‘’ mémoire de master 2014. [6]- J.P. HAUTIER et J.P. CARON« Modélisation et commande de la machine asynchrone » [7]- L.BAGHLI 2005 IUFM de Lorraine.UHP « Modélisation et commande de la machine asynchrone » [8]- ATTOU AMIN « commande scalaire d’une machine asynchrone » mémoire de master ,université bellabes 2010/11 [9]-Mr. BOUZID ALLAL El Moubarek « Onduleur triphasé commandé par la Stratégie d’Élimination d’Harmonique « SHE [10]- datasheet des composants électroniques. [11]- Michael Chapman’’ Development of a Low Voltage Three Phase Power Supply for Educational Use’’ 2013. 39