Paper

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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE
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MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA
RECHERCHE SCIENTIFIQUE
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UNIVERSITE CONSTANTINE I
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FACULTE DES SCIENCES DE LA
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‫وزارة ا‬
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‫ـ ــ ا وم ا‬
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TECHNOLOGIE
DEPARTEMENT : ELECTROTECHNIQUE
……………………………………………………………………….……………………………………………………………
N° d’ordre : ….
Série : ….
Mémoire
Présenté en vue de l’obtention du
Diplôme de Master en Electrotechnique
Option
Electrotechnique
Thème
CONCEPTION ET REALISATION D’UN
CYCLOCONVERTISSEUR MONOPHASE
COMMANDE PAR UNE CARTE ARDUINO
Présenté par:
SARRA
GAMACHE
Encadreur:
DR LOUZE LAMRI
Promotion 2013/2014
Remerciements
Le présent travail a été effectué au sein de laboratoire d’électrotechnique sous la direction
de Monsieur KHEZZAR Abdelmalek, Professeur à l’université Mentouri Constantine 1.
Je tiens à remercier vivement Monsieur A.KHEZZAR pour m'avoir conseillé
et dirigé tout au long de mon projet ainsi que pour ses nombreux conseils avisés lors
de la rédaction de ce mémoire. Qu'il trouve ici ma profonde reconnaissance pour
la confiance qu'il m'a témoignée durant ces L. LOUZE années.
Mes remerciements s'adressent aussi pour Monsieur docteur à l'université de Constantine
d'avoir codirigé cette mémoire. Poincaré, pour avoir accepté de me encadré.
Je suis très reconnaissant également à Monsieur, Ingénieur A.Cherouana
en électronique, pour l'honneur qu'il m'a fait.
Je suis particulièrement reconnaissant à Monsieur K.MESSAOUDI, Docteur à l’université de
constantine, pour l'honneur qu'il m'a fait, en acceptant de juger ce mémoire.
Mes remerciements s’adressent aussi à Monsieur K.NABTI, docteur à l’université de
Constantine pour ces encouragements qui me poussaient toujours vers l’avant.
Je voudrais exprimer mes remerciements à ma chère amis ZAHRA pour son aide et son
soutien moral, sans oublier Fatima, Soumya, Hanane, Asma, Ali, Tahar, Malek, Amine.
Enfin, j'exprimer ma sympathie pour tout le personnel et les étudient de faculté des sciences
de l’ingénieur à Constantine.
Que les collègues du département Electrotechnique et d’automatisme, trouvent ici mes
sincères sentiments de reconnaissance pour les messages d’encouragement et de sympathie
qu’ils m’ont adressés à l’approche de la soutenance.
Dédicace
A ma mère à qui je dois tous ses sacrifices
A la mémoire de mon père que personne n’a pu combler son vide ’
A tous mon frère AYMENE, mes sœurs ‘’ Selma, Asma, Rokia, Hasna, Nedjla, et ma belle fleur Chourouk ‘’
A tous mes amis, et mes collègues
Aux orphelins du monde entier
A tous les musulmans
A tous je dédie cette mémoire
Sommaire
Introduction générale .............................................................................................................................. 1
CHAPITRE I ............................................................................................................................................ 2
GENERALITE SUR LA CONVERSION ALTERNATIVE-ALTERNATIVE ................................................................. 2
1
Introduction ..................................................................................................................................... 3
2
Le thyristor ...................................................................................................................................... 3
3
2.1
Principe de fonctionnement ..................................................................................................... 4
2.2
Blocage de thyristor ................................................................................................................ 4
2.3
Amorçage du thyristor............................................................................................................. 5
2.4
Caractéristique et limites de fonctionnement .......................................................................... 6
2.5
Circuit de commande du thyristor ........................................................................................... 7
Différents types de commande pour le thyristor ............................................................................. 7
3.1
Amorçage par résistance......................................................................................................... 7
3.2
Déclenchement via un circuit RC ............................................................................................ 8
3.3
Déclenchement par impulsion ................................................................................................. 8
4
Principe de circuit de commande par impulsion............................................................................. 8
5
Rôle de transformateur d’impulsion................................................................................................ 9
6
Etude des Cycloconvertisseurs ........................................................................................................ 9
6.1
7
Principe de fonctionnement –structure de base .................................................................... 10
Montages utilisées ......................................................................................................................... 11
7.1
Cycloconvertisseurs d'indice de pulsation égal à 3 .............................................................. 11
7.2
Cycloconvertisseurs d'indice de pulsation égal à 6 .............................................................. 12
8
Applications des cycloconvertisseurs ............................................................................................ 12
9
Conclusion..................................................................................................................................... 13
CHAPITRE II ......................................................................................................................................... 14
FONCTIONNEMENT ET SIMULATION DU CYCLOCONVERTISSEUR ................................................................. 14
1
Introduction ................................................................................................................................... 15
2
Simulation de redresseur triphasé................................................................................................. 15
3
Partie commande........................................................................................................................... 15
4
5
Simulation d’un cycloconvertisseur monophasé .......................................................................... 19
4.1
Partie puissance .................................................................................................................... 19
4.2
Résultats de simulation.......................................................................................................... 20
Conclusion..................................................................................................................................... 22
CHAPITRE III ........................................................................................................................................ 23
REALISATION PRATIQUE ET RESULTATS EXPERIMENTAUX ......................................................................... 23
1
Introduction ................................................................................................................................... 24
2
Description de la carte arduino UNO .......................................................................................... 25
3
2.1
Ports de communication disponibles sur une carte Arduino-Uno: ....................................... 26
2.2
Architecture interne de l’arduino UNO ................................................................................ 26
Description de banc expérimental................................................................................................. 27
3.1
Carte de puissance ................................................................................................................ 27
3.2
Commande des thyristors ..................................................................................................... 27
3.3
Mise en œuvre du programme de la commande .................................................................... 27
3.4
Dimensionnement thermique et choix des semi-conducteurs ................................................ 28
3.5
Dimensionnement du circuit de commande d’un thyristor.................................................... 28
3.6
Architecture des circuits de commandes ............................................................................... 28
4
Système de commande ................................................................................................................... 29
5
Résultats expérimentaux................................................................................................................ 31
6
5.1
Banc d’essai .......................................................................................................................... 32
5.2
Interprétation des résultats ................................................................................................... 36
Conclusion..................................................................................................................................... 36
Conclusion générale.............................................................................................................................. 37
Références ............................................................................................................................................. 38
Introduction générale
Les installations industrielles utilisent généralement la tension monophasée ou bien triphasée
sous forme continue ou alternative. La variation de l'amplitude et de la fréquence est assurée
par les convertisseurs de puissance.
Les premiers convertisseurs de puissance électrique ont été réalisés avec des machines
électriques couplées mécaniquement ; une machine à courant alternatif d'une part couplée au
réseau permettait de convertir l'énergie électrique en énergie mécanique à vitesse fixe. D’autre
part une machine à courant continu dont l'excitation commandée permettait de disposer d'une
tension continue variable en sortie.
Le développement des composants de puissance au milieu du 20ème siècle (électronique de
puissance) a permis de développer des convertisseurs de puissance électrique sans machines
tournantes.
A nos jours, la technologie des composants des semi-conducteurs ne cesse d'évoluer :
- un faible coût, les puissances commutées élevées, la facilité de contrôle….
Le travail que nous avons réalisé au sein de laboratoires d’électrotechnique de Constantine a
pour
objectif
la
réalisation
d'un
convertisseur
alternatif-alternatif,
à
savoir
le
cycloconvertisseur monophasé.
Dans le premier chapitre, nous présentons des généralités sur les composants de puissance
utilisée qui est le thyristor, son circuit de commande, les différents types des
cycloconvertisseurs et leurs utilisations.
Le deuxième chapitre présente la simulation du cycloconvertisseur monophasé faisant l'objet
du présent mémoire.
Le troisième chapitre présente les différentes étapes de la réalisation expérimentale ainsi que
les résultats trouvés.
Une conclusion générale vient pour mettre en exergue les points les plus importants à retenir.
1
CHAPITRE I
GENERALITE SUR LA CONVERSION
ALTERNATIVE-ALTERNATIVE
2
Chapitre I
1
généralité sur la conversion alternative-alternative
Introduction
Les convertisseurs alternatif-alternatif sont utilisés couramment pour les installations
industrielles, ils sont divisés en deux types :
- les convertisseurs directs
- les convertisseurs indirects
La conversion indirecte se divise en deux conversions successives, d’abord elle effectue le
redressement de la grandeur alternative d’entrée en une grandeur continue ou quasi continue
qui est ensuite convertie en une grandeur alternative de sortie avec une amplitude et/ou une
fréquence variable.
La conversion directe s’effectue en une seule étape car on convertit une grandeur alternative
d’entrée en une grandeur alternative de sortie. L’élément de stockage d’énergie n’est pas
nécessaire. Le convertisseur direct peut être identifié en tant que deux approches topologiques
distinctes. La première est la plus simple topologie peut être employée pour changer
l'amplitude d'une forme d'onde alternative d'entrée, cette topologie s'appelle gradateur. La
seconde peut être utilisée si sa fréquence de sortie est inférieure à sa fréquence d'entrée, cette
topologie s'appelle cycloconvertisseur.
Dans ce travail, nous nous intéressons à la conversion alternative – alternative
par
l’utilisation
des
de
cycloconvertisseur.
Ce
chapitre
donne
l’aspect
théorique
cycloconvertisseurs en commutation naturelle qui permet de faire varier de manière continue
la valeur et la fréquence des tensions de sortie à base des redresseurs commandés en utilisant
des interrupteurs de forte puissance comme le thyristor avec une commande de gâchette par
impulsions.
2
Le thyristor
Le thyristor est un interrupteur de puissance au silicium formé de plusieurs couches, Il est
réversible en tension et supporte des tensions anode/cathode Vak aussi bien positives que
négatives. Il n’est pas réversible en courant (unidirectionnelle en courant) et ne permet que
des courants i positifs, c’est à dire dans le sens anode cathode à l’état passant.
La figure 1.1 représente trois jonctions en série :
Jk : jonction cathode
Jc : jonction de commande
Ja : jonction anode
3
Chapitre I
généralité sur la conversion alternative-alternative
avec quatre couches de dopages alternés et possédant trois électrodes:
•
La couche de cathode de type N est mince (autour de 20 µm) et fortement dopée. Elle est
reliée par métallisation à l'électrode de cathode (K en abrégé).
•
La couche de commande de type P est mince (autour de 50 µm) et moyennement dopée. Elle
est reliée à l'électrode de gâchette (G en abrégé).
•
La couche de blocage de type N est épaisse (autour de 250 µm) et faiblement dopée.
•
La couche d'anode de type P est mince (autour de 70 µm) et moyennement dopée. Elle est
reliée par métallisation à l'électrode d'anode (A en abrégé).
Figure I.1. différentes jonctions d’un thyristor
3
3.1
Principe de fonctionnement
Blocage de thyristor
L’une au moins des jonctions PN du thyristor est bloquée :
•
Sous une tension inverse : la tension anode/cathode Vak est négative et les deux jonctions Ja
et Jk sont polarisées en inverse ce qui bloquent le courant de fuite à une intensité très faible
en raison des différences de dopage entre les 4 couches PNPN. C’est la jonction d’anode qui
supporte la plus grande partie de la tension inverse.
•
Sous une tension directe : la tension anode cathode est positive Vak > 0 et le courant de
gâchette ig est nul ou très faible, le thyristor n’est pas amorcé au préalable.
4
Chapitre I
3.2
généralité sur la conversion alternative-alternative
Amorçage du thyristor
L’amorçage d’un thyristor est obtenu par différents phénomènes physiques, dans tous les cas
l’amorçage rend le thyristor conducteur de l’anode vers la cathode (iak > 0). La tension Vak est
alors faible de l’ordre de quelques dixièmes de volts.
Dans un amorçage par tension : le courant de gâchette à
une intensité ig nulle. Si
la tension Vak dépasse une
certaine valeur Vbo toujours élevée, il y a amorçage et
conduction du thyristor.
3.2.1
Fermeture sur résistance
Le montage ci dessous est fait avec une charge purement
inductive, on suppose que pour
< 0, on à un courant de
gâchette nul, donc le thyristor est bloqué.
= 0,
= 0,et Vak = .
A l’instant = 0, la tension Eg de générateur d’impulsion
est supérieur à Zéro et la jonction Jk devient passante. Le
courant ig augmente brusquement
par l’effet de la
décharge capacitive et après il tend vers le régime établit.
La tension Vgt et la tension Vgk croissent progressivement vers une tension de l’ordre 1 à 2
volts de régime passant.
Lorsque la jonction Jk est passante, l'injection des
porteurs va provoquer l'avalanche de la jonction Jc et le
thyristor s'amorce. La tension Vak décroît et le courant Ia
croît; nous avons
3.2.2
Fermeture sur charge inductive
La charge ici est une résistance R en série avec une
inductance L.
Dans ce cas on suppose que pour un instant < 0
le courant ig =0 et la vitesse de croissance de courant va
être limitée par la valeur de l’inductance L.
Si le thyristor s’amorce spontanément, la tension Va diminue rapidement et le courant croit.
5
Chapitre I
3.3
généralité sur la conversion alternative-alternative
Caractéristique et limites de fonctionnement
Le fonctionnement réel est, comme pour une diode, caractérisé par ses deux états :
- à l’état passant,
- à l’état bloqué,
≈ 0 le courant direct est limité par le courant direct maximal.
≈ 0. la tension inverse est limitée (phénomène de claquage par
avalanche) par la tension inverse maximale
Figure I.2. Caractéristique d’un thyristor réel
Dans le cas de blocage et après l’annulation du courant Iak, la tension V doit devenir négative
pendant un temps au mois égal au temps d’application de tension inverse tq (tq ≈ 100 µs).
Si ce temps n’est pas respecté, le thyristor risque de se réamorcer spontanément dès que V
tend à redevenir positive, même durant un court instant.
Figure I.3. Évolution du courant iak ou blocage.
6
Chapitre I
3.4
généralité sur la conversion alternative-alternative
Circuit de commande du thyristor
Le circuit de commande d’un thyristor sert à fournir l’impulsion d’allumage à sa gâchette. Ce
circuit doit avoir les caractéristiques suivantes :
•
Fonctionner en source de courant
•
Fournir une impulsion de courant d’amplitude supérieure à la valeur minimale exigée
par le constructeur.
•
Le temps de montée de l’impulsion de courant doit être très court (inferieur à 1µs)
•
La durée de l’impulsion de courant doit être suffisamment longue pour que le courant
d’anode Ia minimal nécessaire eu maintien de thyristor à l’état passant. Dans les
convertisseurs à commutation naturelle la durée de l’impulsion est généralement de
l’ordre de 500µs.
•
Obligation de permettre une isolation galvanique entre le circuit de puissance et la partie
de commande.
4
4.1
Différents types de commande pour le thyristor
Amorçage par résistance
Le procédé le plus simple consiste à inclure une résistance entre la gâchette et la source
d'alimentation. La source est alternative on devra rajouter en série avec la résistance une diode
pour éviter d'appliquer sur la gâchette une tension négative importante pendant l'alternance
négative. Cette diode devra évidemment avoir une tension de claquage supérieure à la tension
crête de la source d'alimentation. La valeur de la résistance permet de définir l'instant
d'amorçage, mais puisque la tension appliquée sur la gâchette via cette résistance est en phase
avec la tension d'anode on ne pourra exploiter que la première partie de l'alternance soit entre
0 et 90° comme le montre la figure ci-dessous.
Figure I.4. Principe d’amorçage d’un thyristor
7
Chapitre I
4.2
généralité sur la conversion alternative-alternative
Déclenchement via un circuit RC
Pour aller au delà des 90° il faut pouvoir non seulement définir la tension d'amorçage par le
biais d'une résistance mais assurer la possibilité de déphasage de celle-ci par rapport à la
tension d'anode ce qu'on va réaliser en plaçant un condensateur dans le circuit de gâchette
selon le schéma ci-dessous
Figure I.5. Amorçage d’un thyristor par un circuit RC
4.3
Déclenchement par impulsion
L'inconvénient majeur du montage précédent d'amorçage du thyristor est qu'il nécessite une
puissance non négligeable dans le circuit de commande, c'est ce qui justifie les montages
impulsionnels qui outre l'élimination de ces puissances indésirables se prêtent bien aux
contrôles automatisés. L'amorçage par impulsion permet d'envoyer d'une manière brutale un
courant de gâchette supérieur à celui provoquant l'amorçage ce qui va avoir comme
conséquence de réduire le temps d'établissement du courant dans le circuit principal et donc
d'assurer un contrôle plus précis de la durée de la phase de conduction du thyristor.
5
Principe de circuit de commande par impulsion
La Figure I.6 montre le schéma de principe d’un circuit de commande de la gâchette d’un
thyristor. Il est constituée d’un amplificateur et d’un transformateur d’impulsion d’isolation.
Le signal transféré par le générateur d’impulsions et amplifié à l’aide du transistor T et
transmis à la gâchette du thyristor Th par l’intermédiaire du transformateur d’impulsions Tr
qui assure l’isolement galvanique et la régulation de tension de coté secondaire. Pour
transistor est saturé et pour
= 1 le
= 0 le transistor est bloqué.
8
Chapitre I
généralité sur la conversion alternative-alternative
La diode zener Dz en série avec la diode D1 joue un rôle très important dans ce circuit elle
sert de démagnétiser le transformateur d’impulsion Tr et réduit les surtensions aux bornes du
transistor T lors de son blocage.
La diode D2 montée au secondaire du Tr sert au blocage de l’impulsion négative produite lors
du blocage de transistor T. La résistance Rg’ ferme le circuit du thyristor et protége le
thyristor Th sur les réamorçages indésirables.
Figure I.6 : structure de circuit de commande de gâchette d'un thyristor
6
Rôle de transformateur d’impulsion
Le transformateur d’impulsions est un transformateur de petite puissance, ayant la plupart du
temps un rapport de transformation unitaire, sa fonction principale est l’isolement galvanique,
son avantage est de transmet l’information et son énergie, fonctionnement possible à
fréquence élevée, simplification du montage, possibilité de fournir un courant important,
bonne tenue en tension. L’inconvénient de se transformateur est de transmet que des signaux
impulsionnels.
7
Etude des Cycloconvertisseurs
Les Cycloconvertisseurs sont des variateurs de fréquence, se sont des dispositifs fonctionnant
en commutation naturelle. Les cycloconvertisseurs ne constituent donc qu'une partie de
l'ensemble des convertisseurs directs de fréquence, qui comprennent également les
multiplicateurs de fréquence. Le Cycloconvertisseur permet de varier la valeur et la fréquence
9
Chapitre I
généralité sur la conversion alternative-alternative
des tensions de sortie d’une manière continue. Généralement la fréquence de sortie est
nettement inferieure à la fréquence d’entrée.
7.1
Principe de fonctionnement –structure de base
Les tensions de sortie sont élaborées à partir de portions de sinusoïdes du réseau
d'alimentation, un découpage adéquat permettant d'obtenir des signaux ayant une fréquence et
une amplitude déterminées tout en présentant un taux d'harmoniques raisonnable. Ainsi, par
exemple, à partir d'un réseau triphasé de fréquence f0, on peut créer un signal de fréquence
f0/6 comme le présente la Figure 1.7.
Figure I.7 : Forme d’onde crée par un cycloconvertisseur
La structure de base d’un cycloconvertisseur est basée sur des montages redresseurs (en effet,
il suffit de moduler l'angle de retard à l'amorçage au rythme de la basse fréquence pour
obtenir à la sortie des montages une forme de tension analogue à celle représentée ci-dessus).
Il est composé de deux phases, chaque phase est constituée par un groupement en parallèle
inverse de deux redresseurs (Fig 1.8), débitant Chacun une alternance de sortie donc on peut
dire que les cycloconvertisseurs sont des montages forcement réversibles.
10
Chapitre I
généralité sur la conversion alternative-alternative
Redresseur positif
Redresseur négatif
Figure I.8 : Schéma de base de fonctionnement d'un Cycloconvertisseur
8
Montages utilisées
Les cycloconvertisseurs se classent en fonction de leur indice de pulsation, qui correspond,
comme pour les montages redresseurs au nombre de commutations produisant au cours d'une
période du réseau d'alimentation. L'élaboration de signaux à faible taux d'harmoniques est
d'autant plus facile que cet indice est plus élevé, mais comme le nombre de thyristors
augmente également en proportion, les réalisations se rangent essentiellement dans l'une des
deux catégories suivantes:
8.1
Cycloconvertisseurs d'indice de pulsation égal à 3
Comme indiqué la Figure I.9, ils sont constitués par des associations de redresseurs de type
P3. Les inductances dont le rôle est de limiter l'amplitude des courants de circulation, peuvent
évidemment être supprimées si on n'utilise pas ce mode de fonctionnement.
Figure I.9 : Cycloconvertisseurs d'indice de pulsation égal à 3
11
Chapitre I
8.2
généralité sur la conversion alternative-alternative
Cycloconvertisseurs d'indice de pulsation égal à 6
Ce sont les dispositifs les plus couramment utilisés. Plusieurs schémas sont possibles. Nous
ne citerons ici que le montage de base, constitué de redresseurs de type PD3 (Figure I.10).
Nous signalant simplement qu'il n'est utilisable que lorsque la charge est effectivement
constituée de trois éléments indépendants en triphasé.
Figure I.10 : Cycloconvertisseur monophasé
Figure I.11: Cycloconvertisseur triphasé
9
Applications des cycloconvertisseurs
On retrouve les cycloconvertisseurs comme des variateurs de vitesse pour les moteurs
synchrones et asynchrone de forte puissance, les machines de 1.5MW et plus et tournant à
des vitesses très lentes.
A titre d’exemple les cycloconvertisseurs sont appliqués pour les moteurs des machines
d’extraction minière, les moteurs d’entrainement des broyeurs à ciment, les moteurs à
propulsion des navires.
12
Chapitre I
généralité sur la conversion alternative-alternative
Les bases fréquence générées par le cycloconvertisseur permettent de commander des
moteurs synchrones tournant à très basses vitesses.
Les cycloconvertisseurs possèdent une autre application, ils permettent d’alimenter une
charge monophasée à partir d’un système triphasé sans déséquilibrer les courants dans les
trois lignes.
Les cycloconvertisseurs peuvent être employés aussi dans les domaines suivants:
•
Transposition de la fréquence d'une source
•
Génération de puissance réactive
•
Connexion de deux réseaux de fréquence différente
10 Conclusion
Nous avons vu dans ce chapitre le principe de fonctionnement, le circuit de commande de thyristor et
les principaux types d’amorçage, leurs principes de fonctionnement et ainsi leurs domaines
d'application.
13
CHAPITRE II
FONCTIONNEMENT ET SIMULATION DU
CYCLOCONVERTISSEUR
14
chapitre II
1
fonctionnement et simulation de cycloconvertisseur monophasé
Introduction
Le redresseur commandé permet d’obtenir à partir d’une source alternative, un courant
unidirectionnel aux valeurs moyenne et efficace réglables alimentant une charge continue.
Dans certaines conditions, un redresseur commandé peut envoyer de l’énergie d’une source
continue à une source alternative. Ces montages redresseurs sont utilisés pour la réalisation
des cycloconvertisseurs qui sont utilisés comme des variateurs de fréquence, et de vitesse des
machines à courant alternative, où ils fonctionnent en commutation naturelle pour obtenir des
tensions alternative variable en sortie.
Donc le présent chapitre se focalise en premier temps sur la simulation du redresseur triphasé
afin de passer en deuxième temps à la simulation du fonctionnement d’un cycloconvertisseur
monophasé en profitant des facilités offertes par le logiciel MATLAB/SIMULINK.
2
Simulation de redresseur triphasé
3
Partie commande
Le principe de commande de redresseurs triphasé commandé est de synchroniser les
impulsions de gâchettes des thyristors avec le réseau d’alimentation, les thyristors
fonctionnent de manière complémentaire avec un décalage entre eux de 120 °.
Le Figure II.1 représente un schéma bloc illustrant le principe de la commande et de la
synchronisation des impulsions des thyristors avec le réseau d’alimentation triphasé. On doit
détecter le front montant de la première phase pour générer des signaux carrés. Un circuit
intégrateur génère un signal de dent de scie à partir du signal carré.
Une comparaison entre le signal de référence avec le signal du dent de scie permet de générer
les signaux de commande (Figures II.2 et II.3).
15
chapitre II
fonctionnement et simulation de cycloconvertisseur monophasé
Figure II.1:Schéma
chéma bloc du
d modèle de génération des impulsions de redresseur triphasé
Figure II.2:Principe
rincipe de synchronisation des impulsions de redresseurs triphasé
16
chapitre II
fonctionnement et simulation de cycloconvertisseur monophasé
Figure II.3: Les impulsions de commande des gâchettes des thyristors
17
chapitre II
fonctionnement et simulation de cycloconvertisseur monophasé
2.2. Partie puissance
La Figure II.4 illustre le montage
montage du redresseur triphasé utilisé pour la simulation du
redresseur sous le logiciel Simulink pour une charge purement résistive.
Figure II.4 : Schéma de puissance d’un redresseur triphasé
2.3. Résultats de simulation
Sur la Figures
gures II.5 et II.6 donnent les allures de tension redressée obtenue pour différents
angles d'amorçage. Les paramètres de simulation utilisées :
10Ω,
2 Ω ,
0.04
= 220√2
et
•
Pour α=0°
orme d'onde de tension aux bornes la charge du
du redresseur
Figure II.5 : Forme
18
chapitre II
•
fonctionnement et simulation de cycloconvertisseur monophasé
Pour α=30°
Figure II.6 : Forme
orme d'onde de tension aux bornes la charge du
du redresseur
4
4.1
Simulation d’un cycloconvertisseur
cycloco
monophasé
Partie puissance
Au niveau de la structure, on retrouve le schéma de base des montages redresseurs : un
redresseur positif et un autre négatif alimentés
alimenté par le même réseau (en effet, il suffit de
moduler l'angle de retard à l'amorçage
l'amorçage au rythme de la basse fréquence pour obtenir à la sortie
des montages une forme de tension analogue d’une sinusoïde).
sinusoïde
Figure II.7
.7 : schéma de principe de cycloconvertisseur monophasé
Les impulsions de commande des gâchettes des deux redresseurs triphasés
triphasés en pont pour un
angle de retard nul est représenté sur la figure suivante :
19
fonctionnement et simulation de cycloconvertisseur monophasé
1
0.8
0.6
0.4
0.2
le s g a c h e t t e s d e re d re s s e u r t rip h a s é 2
le s g a c h e t t e s d e re d re s s e u r t rip h a s é 1
chapitre II
0
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
temps(s)
0.12
0.14
0.16
0.18
0.2
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
temps(s)
0.12
0.14
0.16
0.18
0.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
Figure II.8 : Stratégie de commande des gâchettes d’un cycloconvertisseur monophasé
4.2
Résultats de simulation
Les Figures II.9 à II.13 présentent les résultats de simulation d'un cycloconvertisseur
monophasé pour des charges R et RL.
Les paramètres de simulation sont :
10Ω ,
= 2 Ω , = 0.04
= 220√2
et
600
la tens ion aux borne la c harge
400
200
0
-200
-400
-600
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
temps(s)
0.12
0.14
0.16
0.18
0.2
Figure II.5 : tension aux bornes de la charge du cycloconvertisseur monophasé
20
chapitre II
-
fonctionnement et simulation de cycloconvertisseur monophasé
Pour une charge inductive Charge RL (R=2KΩ, L=0.04H)
600
200
0
-200
-400
-600
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
temps(s)
0.12
0.14
0.16
0.18
0.2
Figure 2.6 : La tension aux bornes la charge RL
0.3
0.2
0.1
le c o u ra n t d e c h a rg e R L
la t e n s io n a u x b o rn e la c h a rg e R L
400
0
-0.1
-0.2
-0.3
Figure 2.8 : le courant de la charge RL
-0.4
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
temps(s)
0.12
0.14
0.16
0.18
0.2
Figure 2.7:Le courant de charge
21
chapitre II
fonctionnement et simulation de cycloconvertisseur monophasé
600
0.25
0.2
400
0.1
200
le c o u ra n t d e c h a rg e
la t e n s io n a u x b o rn e la c h a r g e R L
0.15
0
0.05
0
-0.05
-200
-0.1
-0.15
-400
-0.2
-600
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
temps(s)
0.12
0.14
0.16
0.18
-0.25
0.2
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
temps(s)
0.12
0.14
0.16
0.18
0.2
R=2KΩ et L=0.04H
600
20
15
400
l e c o u ra n t d e c h a r g e
la tens ion aux borne la c harge
10
200
0
5
0
-5
-200
-10
-400
-15
-600
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
temps(s)
0.12
0.14
0.16
0.18
0.2
-20
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
temps(s)
0.12
0.14
0.16
0.18
0.2
R=20Ω et L=0.04H
Figure II.9 : la tension aux bornes la charge RL Figure II.10: le courant de la charge RL
•
Interprétation
Grace à la simulation, sous MATLAB nous pouvons observer d’après les résultats obtenus
que la forme de la tension aux bornes de la charge est plus proche d’une sinusoïde
Pour une charge inductive on remarque que la forme du courant de la charge est moins
ondulée quand la valeur de la résistance et l’inductance diminue.
5
Conclusion
Le présent chapitre a permis de proposer une méthode de commande d’un cycloconvertisseur
sous MATLAB, le schéma fonctionnel du modèle de simulation peut faciliter l'étude du
fonctionnement du convertisseur statique objet d’étude.
Les formes d’onde des grandeurs électrique tension et courant affectés par l’angle de retard à
l’amorçage de chaque thyristor sont généralement peu ondulées.
22
CHAPITRE III
REALISATION PRATIQUE ET RESULTATS
EXPERIMENTAUX
23
Chapitre III
1
Réalisation pratique et résultats expérimentaux
Introduction
Afin de valider expérimentalement la stratégie de commande d'un cycloconvertisseur testé
par la simulation numérique sous MATLAB dans le chapitre président, nous les
implémentons sur une carte arduino.
Nous décrivons dans un premier temps d’une manière générale la carte arduino utilisée
puis nous présenterons le dispositif expérimental mis au point et ses principales
caractéristiques.
Dans la seconde partie nous présenterons le dispositif expérimental et ses principaux
constituants à savoir :
-
Le circuit de commande d’une gâchette d’un thyristor.
-
Le circuit de puissance muni de sa protection.
-
La synchronisation avec le réseau d’alimentation.
Apres la description de la partie matérielle, nous passerons à la partie logicielle en
expliquant la stratégie de commande implémentée numériquement sur la carte arduino.
Finalement nous présenterons et les résultats expérimentaux de la réalisation pratique
de cycloconvertisseur avec leur analyse.
III)-2. Définition d'une carte Arduino
La carte Arduino est une plaquette électronique que l'on peut
connecter par un port USB à un ordinateur afin de charger le
programme code sur le microcontrôleur qui s'y trouve.
C’est une carte d’interface programmable capable de piloter des
capteurs et des actionneurs afin de simuler ou créer des systèmes automatisés.
Un microcontrôleur est un processeur de petite taille qui fournit des entrées et sorties
analogiques et qui fonctionnent selon le programme que l'on aura enregistré dessus [1].
Il existe plusieurs variétés de cartes arduino UNO, MEGA, DUO...etc.
24
Chapitre III
2
Réalisation pratique et résultats expérimentaux
Description de la carte arduino UNO
Le modèle UNO de la société ARDUINO est une carte électronique dont le cœur est un
microcontrôleur ATMEL de référence ATMega328 qui est un microcontrôleur 8bits de la
famille AVR dont la programmation peut être réalisée en langage C [2].
L'intérêt principal des cartes ARDUINO est leur facilite de mise en œuvre. ARDUINO
fournit un environnement de développement s'appuyant sur des outils open source.
Le chargement du programme dans la mémoire du microcontrôleur se fait de façon très
simple par port USB. En outre, des bibliothèques de fonctions "clé en main" sont également
fournies pour l'exploitation d'entrées-sorties courantes : gestion des E/S TOR, gestion des
convertisseurs ADC, génération de signaux PWM, exploitation de bus TWI/I2C, exploitation
de servomoteurs ...
Figure III.11: présentation de la carte Arduino UNO [3]
25
Chapitre III
2.1
Réalisation pratique et résultats expérimentaux
Ports de communication disponibles sur une carte Arduino-Uno:
La carte Arduino communique avec le monde réel grâce à ses propriétés d'acquisition des
signaux analogiques, envoi des signaux numériques qui peuvent être exploités par d'autres
applications.
La carte arduino et programme par Le logiciel arduino qui permet d’écrire un programme,
de le transférer dans la carte (téléverser) et communiquer avec elle.
Les instructions sont proches du langage C/C++. Afin de les rendre plus digestes, nous
utiliserons des fonctions francisées.
2.2
Architecture interne de l’arduino UNO
Les signaux d'entrée-sortie du microcontrôleur sont relies a des connecteurs selon le schéma
ci-dessous
Figure III.12:architecture interne de la carte Arduino-UNO[4]
III)-6. Travail réalisé:
Notre travail consiste d'abord à réaliser un pont redresseur triphasé commandé en premier
lieu, puis la réalisation d'un cycloconvertisseur monophasé. Le convertisseur statique ainsi
réalisé sera par la suite commandé et géré par une carte Arduino de type UNO.
26
Chapitre III
3
Réalisation pratique et résultats expérimentaux
Description de banc expérimental
Le banc expérimental est constitué des éléments suivants :
-
Convertisseur de puissance
-
Commande du redresseur
-
Carte d’alimentation auxiliaire
-
La carte arduino UNO
3.1
Carte de puissance
Le circuit de puissance contient 12 thyristors ,6 montés en pont triphasé pour le
redresseur positif et 6 autres montés également en pont pour le deuxième redresseur négatif,
l’utilisation de telle composants rapides dans ce convertisseur introduit des surtensions qui
sont dues principalement à la présence inévitable d’inductances parasites.
Ces surtensions qui apparaissent entre l’anode et la cathode du thyristor provoquent un
risque de destruction du composant. Pour remédier à ce risque le circuit de commande du
thyristor est protégé par la résistance Rg’.
3.2
Commande des thyristors
Les signaux de commande proviennent des sorties numériques du module carte Arduino.
Se sont des signaux logiques de faible niveau de courant qui n’est pas suffisant pour amorcer
le thyristor. Pour cela on doit isoler la faible tension de carte arduino de la haute tension de
l’anode du thyristor par un circuit de commande d’isolement galvanique, ce dernier comprend
plusieurs étages :
-
Un étage transistor sert à la mise en forme des signaux de commande et de
l’amplification de courant de commande.
-
Un étage transformateur d’impulsion qui assure l’isolation galvanique entre le circuit
de puissance et le circuit de commande.
-
Une résistance de protection contre les surtensions, montée en parallèle avec le
thyristor.
3.3
Mise en œuvre du programme de la commande
Le programme de commande d’un redresseur triphasé est basé sur deux modules :
Le module d’initialisation et le module d’interruption.
Le premier est exécuté une seul fois au début de programme, le deuxième est une boucle
d’attente des interruptions pour la commande en temps réel.
27
Chapitre III
Réalisation pratique et résultats expérimentaux
L’exécution immédiate du module d’interruption est prise en charge lors de l’arrivée
d’interruption qui est conditionnée par l’arrivée du front montant du signale numérique
externe et qui représente la synchronisation du réseau d’alimentation avec le temps d’envoi
des impulsions du retard à l’amorçage de chaque thyristor.
3.4
Dimensionnement thermique et choix des semi-conducteurs
La première étape du dimensionnement passe par le choix des interrupteurs de puissance.
Ce dernier repose sur deux aspects qui déterminent le calibre à adopter : le courant qui le
traverse et la tension que ces derniers doivent maintenir.
En fonction des différentes topologies du bras du redresseur, les interrupteurs de
puissance ne seront pas soumis aux mêmes contraintes de tension : les semi-conducteurs des
redresseurs doivent supportés une forte puissance, une tension élevée avec un fort courant
d’alimentation pour cela nous allons choisir des thyristors qui répondent à ces conditions.
3.5
Dimensionnement du circuit de commande d’un thyristor
Pour dimensionner le circuit, nous devons :
- relever les caractéristiques du thyristor
- choisir le transformateur en fonction du courant à fournir
- choisir la tension d'alimentation et le mode de commande
- Calcul des composants associés
3.6
Architecture des circuits de commandes
L’entrelacement de l’architecture des circuits de commande présente un très grand nombre
d’avantages d’un point de vue volume et rendement, mais une électronique de commande
inadaptée peut faire perdre le bénéfice de tous ces avantages. Une grande quantité des semiconducteurs implique un grand nombre de commandes.
Dans la plupart des convertisseurs de puissance, les composants de puissance Thyristor,
MOSFET et IGBT, sont pilotés par des commandes rapprochées. Celles-ci doivent assurer
plusieurs fonctions :
- La commande des instants de commutations (PWM)
- L’alimentation de la gâchette (grille) du composant de puissance.
28
Chapitre III
Réalisation pratique et résultats expérimentaux
Le problème de ce type d’architecture réside dans l’isolation galvanique de toutes ces
fonctions. La position du semi-conducteur impose souvent des potentiels flottants, et la il doit
souvent être isolé galvaniquement du reste des circuits de commande.
Diverses solutions permettent l’isolement entre les différents étages tels que l’opto-isolation
pour de simples signaux de contrôle. Dans notre circuit de commande on doit assurer cette
isolation par un transformateur d’impulsions.
La carte de commande réalisée pour un redresseur triphasé (Figure 15) est composée d’une
carte arduino, 6 opto-coupleur ,6 transistors bipolaire de type NPN, des diodes et diodes ziner,
6 Transformateurs d’impulsions, et des résistances de protection et de limitation de courant
pour les différents composants.
4
Système de commande
Les circuits de commandes intègrent plusieurs fonctions telles que la protection contre les
surintensités et la surveillance thermique des composants semi-conducteurs.
Nous avons choisi d’utiliser une carte arduino pour les grandes possibilités que ces
composants offrent ainsi que le grand nombre d’entrées sorties disponibles. L’arduino choisie
est l’UNO.
Le signal rectangulaire de commande envoyé par la carte arduino vers la base de transistor
bipolaire de type NPN via un opto-coupleur pour l'isolé et protégé au même temps la carte
Arduino.
Le transformateur d’impulsions est alimenté sous 5V, lorsque le transistor est saturé la
sortie du carte arduino délivre un signal rectangulaire de rapport cyclique ½, d’amplitude 10V
et de fréquence 50Hz. Ce signal est synchronisé avec le réseau d’alimentation du redresseur
commandé après un retard réglable par rapport au passage par zéro de la source de tension
triphasée .Bien que chaque thyristor reçoit un signale de commande de gâchette avec un angle
de retard à l’amorçage réglable par un potentiomètre .chaque thyristor ne conduit que lorsque
sa tension anode-cathode est positive.
29
Chapitre III
Réalisation pratique et résultats expérimentaux
Figure III.13:la forme d'impulsion de gâchette
Figure III.14:la tension entre la base et l'émetteur Vbe de transistor
30
Chapitre III
Réalisation pratique et résultats expérimentaux
Figure III.15:circuit de convertisseur réalisé
5
Résultats expérimentaux
Les essais expérimentaux sont réalisés au laboratoire de LEC de département
d’électrotechnique, suivant les étapes déjà présenté dans ce chapitre, les paramètres de circuit
électrique et de commande sont donnés par le tableau :
Tension de ligne
120V
Charge résistive
650Ω
Tableau 1:paramètre banc expérimental
31
Chapitre III
5.1
Réalisation pratique et résultats expérimentaux
Banc d’essai
La figure représenté le schéma d’implantation et la mise en ouvre de la carte arduino.
La commande des interrupteurs de redresseur à MLI est effectuée par la carte arduino et la
carte de commandes des thyristors.
La programmation de la carte arduino s’appuie sur le logiciel « arduino » dédie à fin
d’optimiser
l’ensemble
des
taches
de
fonctionnement
et
de
communication
arduino/convertisseur/charge.
Rectifier
Load
Commande de
redresseur
Bloc de
synchronisation
avec le réseau
Figure III.16 : Schéma symptomatique de bac d’essai expérimental
32
Chapitre III
Réalisation pratique et résultats expérimentaux
Figure III.17:le banc expérimental
Le banc de test du prototype est composé d’une source d’alimentation en tension
Alternative triphasé (400V/3A) ainsi que de charges résistives (650Ω/2A). Les essais se
portent essentiellement sur la forme de tension de sortie et sur le rendement du convertisseur.
La source alternative est limitée à 3A.
Dans un premier temps, les tests expérimentaux sont obtenus avec une charge résistive.
L’allure de la tension de sortie de redresseur est représentée sur la figure suivante avec des
angles de retard à l’amorçage des thyristors égaux à 0.
33
Chapitre III
Réalisation pratique et résultats expérimentaux
Figure III.18:l'allure de la tension aux borne la charge R
Figure III.19:l'allure de tension de sortie de redresseur avec un angle de retard égale à 60°
34
Chapitre III
Réalisation pratique et résultats expérimentaux
Figure III.20:l'allure de la tension de sortie de redresseur pour α =30°
Figure III.21:l'allure d’alternance positive de cycloconvertisseur
35
Chapitre III
5.2
Réalisation pratique et résultats expérimentaux
Interprétation des résultats
La figure III.18, III.9 et III.20 montrent la tension de sortie de notre redresseur triphasé commandé
Tous thyristors, ces formes de tension de sortie typique est bien connu, ce sont les mêmes résultats de
simulation sous MATLAB pour déférents angle d’amorçage (α=0°, α=30°, α=60°)
La figure III.21 montre l’onde positive de la tension de sortie de cycloconvertisseur.
6
Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons représenté d’une façon générale une description de la carte
arduino UNO, ainsi que le principe de réalisation de notre convertisseur avec la représentation
de Banc expérimentale.
Les résultats obtenus expérimentalement sont conforme aux objectifs fixés par la théorie
à savoir :
-
Obtenir une tension de sortie proche de la forme sinusoïdale.
Ces résultats permettent de valider une comparaison des résultats de simulation du
chapitre précédent et de valider également l’étude théorique.
36
Conclusion générale
Ce travail, permis à nous de réaliser les différentes partie de redresseur qui est partie du
cycloconvertisseur.
Tout d’abord nous avons commencé par la partie simulation qui représente une tache
importante avant de passé à la pratique, ou nous avons simulé notre cycloconvertisseur
monophasé sous Matlab/Simulink afin de vérifier le fonctionnement comme un variateur de
fréquence.
Après nous avons allé à la partie pratique, qui a permis nous réaliser pratiquement touts les
dispositifs de redresseur qui sont les mêmes pour le cycloconvertisseur. Pour l’instant, on a la
chance de réaliser l’alternance positive, mais ce n’est pas un problème, parce que, on inverse
le même circuit qui nous permet de réaliser l’alternance positive.
A la fin, nous sentons vraiment que ce PFE nous a donné beaucoup de choses, en électronique
pratique, en programmation d’Arduino et en l’utilisation des logiciels de simulation avancées.
Nous espérons que ce dispositif sera utilisé et amélioré jusqu’à l’obtention d’un produit final
étudier.
37
Références
[1]. « Arduino Arduino » software.booki.cc/2011
[2]. B. Cottenceau B311 ISTIA ‘Carte ARDUINO UNO Microcontrôleur ATMega328’
[3]. fr.flossmanuals.net/arduino/index
[4]. M. Russeil ‘ARDUINO MODULES ET FONCTIONS’/2013
38