Etude et réalisation d`un filtre actif parallèle de puissance

MINISTERE DE L’ENSEINGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
UNIVERSITE DES SCIENCES ET DE LA TECHNOLOGIE D’ORAN
FACULTE DE GENIE ELECTRIQUE
DEPARTEMENT D’ELECTROTECHNIQUE
Spécialité : Ecole Doctoral de Génie Electrique
Option : Réseaux Electriques
Mémoire en vue de l’obtention du diplôme de Magistère
Thème
Etude et réalisation d’un filtre actif
parallèle de puissance
Soutenu le 28 /01 /2013
Présenté par Mr BOUGHAZI Boubakeur
Devant le jury :
Président
Prof. Benyounes MAZARI
USTOran
Promoteur
Prof. Chellali BENACHAIBA
U. Béchar
Examinateur
Prof. Mokhtar ZERIKAT
ENSET. Oran
Examinateur
MCA. Ahmed hamida BOUDINAR
USTOran
Invité
MCA. Othmane ABDELKHALEK
U. Béchar
N° d’ordre:
Année universitaire 2012/2013
Résumé
Résumé
Actuellement la plus part des industries se voient affectées par les harmoniques qui sont générés
par des charges non linéaires, elles engendrent de graves conséquences pour le système électrique
en général, et tous cela abouti finalement à des pertes économiques importantes.
L’utilisation des convertisseurs statiques dans les installations de conversion de l’énergie électrique
a contribué considérablement à l’amélioration des performances et à la fiabilité des fonctionnements
de ces installations. En revanche, à cause de leur nature non linéaire , ils sont la cause principale de
la détérioration de la qualité de l’énergie électrique. Puisque, la réglementation internationale en
matière énergétique exige aux consommateurs le respect des normes aux harmoniques, le filtrage
des composantes harmoniques est devenu alors une préoccupation major pour les distributeurs et les
utilisateurs de cette énergie.
Ce mémoire à pour objet par l’implantation
d’un banc expérimental du filtre actif parallèle
triphasé à structure de tension commandé en temps réel pour l’amélioration de la qualité de
l’´energie d’un réseau électrique basse tension débitant dans une charge non linéaire de type pont à
diodes triphasé. Le filtre actif parallèle triphasé est composé d’un onduleur triphasé à IGBTs à trois
bras, sa commande
est réalisé par des cartes électroniques analogiques, ce qui est la principale
contribution de ce projet, elle comporte les blocs d’identifications des courants harmoniques,
régulation des courants injectés du filtre actif parallèle par la commande MLI, régulation de la
tension du bus continue de l’onduleur et enfin la protection et commande des IGBTs.
Dans ce document, nous débuterons par énoncer, en guise de généralité, les
perturbations
harmoniques, leurs origines, les effets engendrés, en suite les moyens de mitigation les plus connus
dans le domaine de filtrage. Nous avons optés vers le filtre actif qui est la solution la plus
avantageuse. Les principales structures et stratégie de commande de filtre actif ainsi que leurs
caractéristiques y seront alors présentées. Le filtre actif parallèle à structure de tension est celui qui
est utilisé pour faire la compensation des harmoniques dans le présent projet. Pour accéder à la
réalisation expérimentale nous avons étudiés et dimensionnés l’ensemble des circuits contrôle
commande du filtre actif parallèle.
Les essais
effectués de la maquette expérimentale du filtre actif parallèle
montrent le bon
fonctionnement de la compensation des harmoniques aussi bien en régime établi que lors des
variations de la charge.
[email protected],
[email protected]
1
Remerciements
Remerciements
Arrivant au terme de ce travail, je tiens à exprimer dans ces lignes ma reconnaissance à toutes les
personnes qui ont participé d’une manière ou d’une autre à son aboutissement.
En premier lieu, je tiens à exprimer ma profonde gratitude à mon encadreur Mr. Chellali
BENACHAIBA, Professeur à l’Université de Béchar, pour m’avoir confié et dirigé ce mémoire.
Qu’il trouve ici l’expression de mon respect et de ma profonde reconnaissance. J’exprime également
ma reconnaissance à l’´egard de mon Co- encadreur
Othmane
ABDELKHALEK, Maitre de
Conférences à l’université de Béchar, pour sa sympathie et sa confiance et pour tous les services
qu’il me rend au cours de ce mémoire.
Mes remerciements vont aussi au président de jury Mr. Benyounes
MAZARI, Professeur de
l’université de la science et la technologie d’Oran, ainsi que les membres de jury, Mr. Mokhtar
ZERIKAT, Professeur de l’université ENSET. Oran et Mr. Ahmed hamida BOUDINAR, Maitre de
Conférences de l’université de la science et la technologie d’Oran, pour pouvoir accepter de juger
ce travail.
Je tiens à remercier sincèrement tout le personnel du laboratoire d’électrotechnique et électronique
de l’Université de Béchar pour leurs sympathies, pour ses qualités humaines et scientifiques.
Je ne pourrai terminer cet espace sans remercier mes collègues avec lesquels j’ai passe des moments
agréables à l’Université de Béchar.
Je désire remercier ma mère, ma sœur, mes frères et je dédie ce projet à mon défunt père.
Enfin, merci à mes amis qui ont partagés au quotidien mes espoirs et mes inquiétudes, qui m’ont
réconforté dans les moments difficiles et avec qui j’ai partagé d’inoubliables instants de détente.
2
Table des matières
Table des matières
Résumé ................................................................................................................................................1
Remerciements .....................................................................................................................................2
Table des matières ................................................................................................................................3
Liste des figures ....................................................................................................................................9
Liste des tableaux ...............................................................................................................................13
Introduction générale ..........................................................................................................................14
Chapitre I. Perturbations harmoniques des réseaux électriques .........................................................16
I.1. Introduction ..................................................................................................................................16
I.2. Classification et caractéristiques des perturbations électriques .................................................17
I.3. Pollution harmonique ..................................................................................................................17
I.3.1. Charges linéaires et non-linéaires .........................................................................................18
I.3.2. Caractérisation des perturbations harmoniques ....................................................................19
I.3.3. Mesures des harmoniques .....................................................................................................20
I.3.3.1.Valeurs efficaces .............................................................................................................20
I.3.3.2. Valeur crête (PEAK) .......................................................................................................20
I.3.3.3.Taux de distorsion harmonique .......................................................................................20
I.3.3.4. Spectre de fréquences .....................................................................................................21
I.3.3.5. Puissances apparentes, actives, réactives et déformantes ...............................................21
I.3.3.6. Facteur de puissance ......................................................................................................22
I.3.3.7. Facteur de déphasage (du fondamental) ..........................................................................22
I.3.3.8. Facteur de déformation....................................................................................................23
I.3.3.9.Séquence des harmoniques ..............................................................................................23
I.4. Propagation des harmoniques dans les réseaux électriques .........................................................24
I.5. Origine des harmoniques ..............................................................................................................25
I.6. Conséquences des harmoniques ...................................................................................................26
I.6.1. Effets instantanés....................................................................................................................26
I.6.2. Effets différés ........................................................................................................................27
I.6.3. Echauffement .........................................................................................................................27
I.6.4. Vieillissement des isolants ....................................................................................................27
I.6.5. Interférence dans les systèmes de télécommunication ...........................................................27
I.6.6. Risque d’excitation de résonance ..........................................................................................28
I.6.7. Vibrations mécaniques ...........................................................................................................28
3
Table des matières
I.6.8. Effets sur le conducteur neutre ...............................................................................................28
I.6.9. Dysfonctionnement d'appareils utilisant la tension comme référence ...................................28
I.7. Normes qualité d’énergie ............................................................................................................29
I.7.1.Norme IEEE 519 .................................................................................................................30
I.7.2. Norme CEI (61000) ............................................................................................................31
I.7. 2.1. Norme CEI (CEI 61000-2-2) ......................................................................................31
I.7. 2.2. Norme CEI (CEI 61000-3-2) et (CEI 61000-3-12) .....................................................32
I.8. Textes réglementaires ..................................................................................................................33
I.9. Solutions de dépollutions harmoniques ......................................................................................34
I.9.1. Surdimensionnement du neutre ............................................................................................34
I.9.2.Transformateurs spéciaux .....................................................................................................34
I.9.2.1.Transformateur de mise à la terre ....................................................................................34
I.9.2.2.Transformateur de type K ................................................................................................35
I.9.2.3.Transformateurs déphaseurs ............................................................................................35
I.9.3.Stratégies classiques ................................................................................................................36
I.9.4.Renforcement du réseau .........................................................................................................37
I.9.5.Augmentation de l’indice de pulsation ...................................................................................37
I.9.6.Redresseur MLI .......................................................................................................................38
I.9.7.Filtrage passif ..........................................................................................................................39
I.9.7.1.Principe de fonctionnement des filtres passifs .................................................................39
I.9.7.2. Classification des filtres passifs ......................................................................................39
I.9.7.3.Filtre passif parallèle ........................................................................................................40
I.9.7.4.Coût du filtre passif ..........................................................................................................42
I.9.8.Filtrage actif .............................................................................................................................42
I.9.8.1.Structure d’un filtre actif ..................................................................................................43
I.9.8.2. Principe de fonctionnement du filtre actif .......................................................................43
I.9.8.3. Coût du filtre actif ...........................................................................................................44
I.9.8.4. Effet de l’impédance du réseau sur le filtre actif ...........................................................45
I.9.8.5. Comparaison générale entre le filtre passif et le filtre actif ...........................................45
I.9.9. Topologie des filtres actifs ....................................................................................................46
I.9.9.1.Filtre actif parallèle (F.A.P) .............................................................................................46
I.9.9.2. Filtre actif série (F.A.S) ..................................................................................................47
I.9.9.3. Combinaison parallèle-série actif (UPQC) .....................................................................47
4
Table des matières
I.9.9.4. Combinaison hybride active et passive ...........................................................................49
I.10. Synthèse des filtres actifs parallèles .........................................................................................51
I.10.1. Mise en œuvre des filtres actifs parallèles ............................................................................51
I.10.2. Applications des filtres actifs parallèles ................................................................................52
I.10.3.Classement des filtres actifs parallèles ...................................................................................52
I.10.3.1. Filtre actif triphasé constitué d’un onduleur triphasé à trois bras ................................53
I.10.3.2. Filtres actifs avec neutre raccordé ...............................................................................53
I.10.3.2.1. Filtre actif triphasé constitué d’un onduleur triphasé………………………………
à trois bras avec condensateur à point milieu ........................................................53
I.10.3.2.2. Filtre actif triphasé constitué d’un onduleur triphasé à quatre bras .......................54
I.11.Conclusion ..................................................................................................................................55
Chapitre II. Identification des courants harmoniques et commande du filtre actif ...........................57
II.1.Introduction ..................................................................................................................................57
II.2.Structure du filtre actif parallèle ..................................................................................................57
II.2.1.L’onduleur de tension .............................................................................................................58
II.2. 1.1.Description de l’onduleur ...............................................................................................58
II.2.1.2.Fonctionnement de l’onduleur de tension .........................................................................59
II.2.1.3. Type de semi-conducteurs utilisés ..................................................................................60
II.2.1.4. Modélisation de l’onduleur de tension .............................................................................60
II.2. 2.Circuit de stockage d´énergie ................................................................................................63
II.2. 3.Filtre de sortie ........................................................................................................................64
II.2.3.1.Filtre du premier ordre ....................................................................................................64
II.2.3.2.Filtre du troisième ordre ...................................................................................................64
II.3. Partie commande .........................................................................................................................65
II.3.1. Génération des signaux de référence ....................................................................................65
II.3.1.1. Méthodes du domaine fréquentiel .................................................................................66
II.3.1.2. Méthodes du domaine temporel ....................................................................................66
II.3.1.3. Algorithme du filtre coupe-bande (notch filter) ............................................................66
II.3.1.4. Filtre passe-bas...............................................................................................................68
II.3.1.4.1.Description du filtre passe-bas .................................................................................68
II.3.1.4.2.Ordre du filtre passe bas ..........................................................................................69
II.3.2. Génération des signaux de commande ..................................................................................70
II.3.2.1. Commande par hystérésis ...............................................................................................70
5
Table des matières
II.3.2.2. Commande MLI ..............................................................................................................71
II.3.2.3. Rapport cyclique des interrupteurs .................................................................................72
II.4. Dimensionnement et régulation du filtre actif parallèle .............................................................73
II.4.1.Calcul de la tension Uc du bus continue de l’onduleur ........................................................73
II.4.2. Dimensionnement du filtre de sortie 𝐿𝑓 du FAP..................................................................74
II.4.3. Fonctions de transfert des éléments du FAP .......................................................................76
II.4.3.1.Fonction de transfert de la MLI ......................................................................................76
II.4.3.1.1.Comportement dynamique de la commande MLI ..............................................76
II.4.3.2.Fonction de transfert de l’onduleur ................................................................................78
II.4.3.3.Fonction de transfert du filtre de sorite 𝐿𝑓 ..................................................................79
II.4.4. Régulation des courants injectés 𝐼𝑓 du FAP .......................................................................80
II.4.4. 1.Nécessité de réglage des courants injectés 𝐼𝑓 du FAP ................................................80
II.4.4.2.Correcteur PI ..................................................................................................................80
II.4.4.3. Construction de la boucle de contrôle du courant injecté 𝐼𝑓 ..........................................80
II.4.4.4.Fonction de transfert de la boucle de contrôle du……………………………………….
courant injecté du filtre actif parallèle ..........................................................................82
II.4.4.5.Conception d’un correcteur PI de courant ......................................................................82
II.4.4.5.1.Détermination de 𝐾𝑃 : ..........................................................................................83
II.4.4.5.2.Détermination de 𝐾𝐼 .............................................................................................83
II.4.5. Régulation de la tension 𝑈𝑐 du bus continue de l’onduleur ....................................................84
II.4.5.1. Nécessité de réglage de la tension 𝑈𝑐 du bus continue de l’onduleur ..........................84
II.4.5.2. Boucle de contrôle de la tension 𝑈𝑐 du bus continu de l’onduleur ..............................85
II.4.5.3. Détermination des paramètres du régulateur PI de la tension 𝑈𝑐 .................................86
II.5.Conclusion ...................................................................................................................................87
Chapitre III. Dimensionnement et réalisation du filtre actif parallèle ...............................................88
III.1.Introduction ................................................................................................................................88
III.2. Principe du contrôle en compensation d’harmoniques et réactive ............................................88
III.3. Dimensionnement des éléments du FAP ...................................................................................90
III.3.1.Cahier des charges du FAP ..................................................................................................90
III.3.2.Structure générale du FAP ....................................................................................................91
III.3.3.Adaptation des tensions réseau et onduleur ..........................................................................92
III.3.4. Dimensionnement des inductances de filtrage (filtre de sortie) du FAP ...........................92
6
Table des matières
III.3.5. Circuits identification des courants harmoniques et régulation..........................................93
III.3.6.Identification des courants harmoniques ..............................................................................93
III.3.6.1. Mesure des courants absorbés par la charge……………………………………………
non linéaire et courants injectés du FAP ....................................................................93
III.3.6.2.Identification des courants harmoniques par des filtres passe bas ................................94
III.3.7.Boucles de régulation des courants injectés du FAP .............................................................95
III.3.7.1.Fonction de transfert de la boucle de régulation du courant injecté du FAP .................95
III.3.7.2.Distribution des courants de références de la commande MLI ......................................97
III.3.7.3.Choix des paramètres du régulateur PI des courants injectés du FAP: .........................98
III.3.7.4.Commande MLI .............................................................................................................99
III.3.7.4.1.Schéma de principe de la commande MLI .............................................................99
III.3.7.4.2.Génération de la porteuse .....................................................................................99
III.3.7.4.3.Comparateur MLI ..............................................................................................100
III.3.7.5. Tracé de Bode et de la réponse indicielle de la boucle de……………………………….
régulation des courants injecté du FAP. .......................................................................100
III.3.8.Boucles de régulation de la tension 𝑈𝑐 du bus continue de l’onduleur ................................102
III.3.8.1.Fonction de transfert de la boucle de régulation ...........................................................102
III.3.8.2.Mesure de la tension 𝑈𝑐 .................................................................................................103
III.3.8.3.Choix des paramètres du régulateur PI de la tension de bus continue: .........................103
III.3.8.4. Tracé de Bode et de la réponse indicille de la boucle de…………………………………
regulation tension du bus continu de l‘ondueur ..........................................................104
III.3.9.Ciruits d’interface et de protection ...................................................................................106
III.3.9.1.Circuits d’interface ......................................................................................................106
III.3.9.2.Circuits de protection .................................................................................................107
III.3.10.Alimentation des cartes électroniques ........................................................................108
III.3.11.Caractéristiques et description de l’onduleur utilisé ...................................................109
III.4.Présentation du matériel expérimental ....................................................................................111
III.5. Conclusion ..............................................................................................................................113
Chapitre IV. Résultats expérimentaux du filtre actif parallèle .........................................................114
IV.1.Introduction ..............................................................................................................................114
IV.2.Caractéristiques de la tension de source ...................................................................................114
IV.3.Essai avec une charge linéaire………………………………………………..………………115
7
Table des matières
IV.4. Caractéristiques de la charge non linéaire ...............................................................................116
IV.5.Résultats expérimentaux du FAP .............................................................................................116
IV.5.1.Mise en œuvre du système ................................................................................................117
IV.5.2.Résultats expérimentaux de la compensation harmonique...............................................117
IV.5.2.1. Résultats des courants de sources en régime stationnaire………………………...118
IV.5.2.2.Résultats d’identification des courants harmoniques ................................................120
IV.5.2.3. Résultats de la régulation des courants injectés par le FAP et de la régulation de……
la tension du bus continue de l’onduleur.................................................................121
IV.5.2.4.Résultats expérimentaux en régime perturbé………………………...…………....122
IV.6. Conclusion….………………………………………………………………………...…..…123
Conclusion générale .........................................................................................................................124
Référence bibliographiques ..............................................................................................................126
8
Liste des figures
Liste des figures
FIG.I.1.Formes d’onde (tension, courant) d’une charge linéaire ......................................................18
FIG.I.2.Formes d’onde (tension, courant) d’une charge non linéaire ................................................18
FIG.I.3.Exemple d’harmoniques (Décomposition d’un signal déformé) ...........................................19
FIG.I.4.Spectre de fréquences d'un courant non sinusoïdal ..............................................................21
FIG.I.5.Diagramme de Fresnel des puissances ..................................................................................23
FIG.I.6.Phaseurs des harmoniques 1, 5, 7 et 3 ...................................................................................24
FIG.I.7.Propagation des harmoniques sur les réseaux électrique .......................................................25
FIG.I.8.Transformateur de mise à la terre ..........................................................................................35
FIG.I.9.Utilisation des transformateurs déphaseurs pour éliminer……………………………………
les 5ieme et 7ieme harmoniques ........................................................................................…36
FIG.I.10.Préconisation de raccordement des charges déformantes ....................................................37
FIG.I.11. Redresseur dédocaphasé parallèle ......................................................................................38
FIG.I.12.Redresseur MLI ...................................................................................................................38
FIG.I.13. a) Filtre passif série b) Filtre passif parallèle......................................................................39
FIG.I.14.Filtre résonant ......................................................................................................................40
FIG.I.15.Filtres amortis ......................................................................................................................41
FIG.I.16.Types de filtres amortis .......................................................................................................41
FIG.I.17.Schéma monophasé d’un réseau avec deux filtres résonant et un filtre amorti ..................42
FIG.I.18.Structure d’un filtre actif .....................................................................................................43
FIG.I.19.Principe de fonctionnement du filtre actif parallèle.............................................................44
FIG.I.20.Filtre actif parallèle ..............................................................................................................46
FIG.I.21.Filtre actif série ....................................................................................................................47
FIG.I.22.Combinaison parallèle-série actif (UPQC) ..........................................................................48
FIG.I.23.Filtre actif série avec des filtres passifs parallèles ...............................................................49
FIG.I.24.Filtre actif série connecté en série avec des filtres passifs parallèles ..................................50
FIG.I.25.Filtre actif parallèle avec un filtre passif parallèle ...............................................................50
FIG.I.26.Onduleur triphasé à trois bras ..............................................................................................53
FIG.I.27.Onduleur triphasé à trois bras avec condensateurs à point milieu .......................................54
FIG.I.28.Onduleur triphasé à quatre bras ...........................................................................................54
FIG.I.29. Filtre actif basé sur un onduleur de tension et un commutateur de courant .......................55
FIG.II.1.Structure générale d’un FAP ................................................................................................58
FIG.II.2. FAP à structure de tension ...................................................................................................59
FIG.II.3.Interrupteurs de puissance ....................................................................................................59
9
Liste des figures
FIG.II.4. Onduleur à structure de tension ..........................................................................................60
FIG.II.5. Représentation vectorielle des tensions générées …………………………………………...
par l’onduleur de tension à trois bras...................................................................................62
FIG.II.6.Schéma équivalent par phase du filtre de sortie du troisième ordre en T.............................65
FIG. II.7.Génération des courants de référence harmoniques par ……………………………………
l’algorithme du filtre coupe-bande .......................................................................................67
FIG.II.8.Gain du filtre passe bas ........................................................................................................68
FIG.II.9.Forme d’onde des signaux d’entré et de sortie du filtre passe bas ......................................68
FIG.II.10. Spectres des signaux d'entrée et de sorties d'un filtre passe-bas .......................................69
FIG.II.11.Ordre de filtre passe-bas .....................................................................................................69
FIG.II.12. Schéma représentant le principe d'extraction des courants………………………………...
de références harmoniques par un filtre passe bas .........................................................70
FIG.II.13.Principe de la commande par hystérésis .............................................................................71
FIG.II.14.Principe de la commande par MLI .....................................................................................72
FIG.II.15.Commande des interrupteurs par MLI ...............................................................................73
FIG. II.16. Principe de la commande MLI ........................................................................................76
FIG. II.17.Retard introduit par la commande MLI ........................................................................... 77
FIG. II.18.Onduleur de tension alimentant un pont redresseur triphasé ............................................78
FIG. II.19.Filtre de raccordement 𝐿𝑓 ..................................................................................................79
FIG.II.20.Schéma de contrôle du courant 𝐼𝑓 du FAP .........................................................................81
FIG.II.21.Annulation de la contribution de Vs sur 𝐼𝑓 .........................................................................81
FIG.II.22. Schéma de régulation du courant 𝐼𝑓 du FAP ....................................................................81
FIG.II.23: Evolution de la tension 𝑈𝑐 au cours du temps .................................................................84
FIG.II.19.Régulation de la tension continue 𝑈𝑐 du bus continue de l’onduleur.................................85
FIG.III.01.Schéma de principe du système de compensation harmonique ........................................88
FIG.III.02. Schéma fonctionnel de commande du FAP .....................................................................89
FIG.III.03.Structure générale du FAP ...............................................................................................91
FIG III.04.Schéma des circuits TL 081, TL 082 et TL 084 ...............................................................93
FIG.III.05. Brochage du capteur de courant LEM LA 25-NP ............................................................93
FIG.III.06.Schéma de principe de l’extraction des courants harmoniques…………………………....
de la charge non linéaire ....................................................................................................94
FIG.III.07. Extraction des courants harmoniques de la charge non…………………………………...
linéaire par des filtres passe bas d’ordre quatre (4) ........................................................ 94
10
Liste des figures
FIG.III.08.Schéma de régulation des courants injectés du FAP ........................................................96
FIG.III.09. Schéma du régulateur PI des courants injectés par le FAP ..............................................97
FIG.III.10.Schéma de distribution des courants de référence ............................................................97
FIG.III.11.Schéma de principe de la commande MLI ........................................................................99
FIG.III.12.Schéma du circuit de génération de la porteuse triangulaire...........................................100
FIG.III.13.Circuit de la commande MLI .........................................................................................100
FIG.III.14.Représentation dans le lieu de Bode de la boucle de régulation…………………………..
du courant injecté du FAP en boucle ouverte, équation III.11.. .......................................101
FIG.III.15. Simulation de la réponse indicielle du système corrigé en boucle fermé…………………
de la boucle de régulation du courant injecté du FAP, équation III.12. ..........................101
FIG. III.16.Régulation de la tension continue 𝑈𝑐 ............................................................................102
FIG.III.17.Schéma du régulateur PI de la tension 𝑈𝑐 .......................................................................103
FIG.III.18.Capteur de tension LEM- LV, 25 -800 v ......................................................................103
FIG.III.19.Représentation dans le lieu de Bode de la boucle de régulation de la……………………..
tension du bus continu de l’onduleur en boucle ouverte, équation III.25. ......................105
FIG.III.20.Simulation de la réponse indicielle du système corrigé en boucle fermé de la…………….
boucle de régulation de la tension du bus continue de l’onduleur équation III.26… .......105
FIG.III.21. Schéma de brochage de l’optocoupleur 6N136 .............................................................106
FIG.III.22.Circuits de génération des signaux haut et bas, d’interface et de protection .................108
FIG.III.23. Alimentation stabilisée 5v régulée ................................................................................ 109
FIG.III.24. Alimentation stabilisée et régulée ( 15 v) ....................................................................109
FIG. III.25.Description de l’onduleur (vus de dessus et de face) ...................................................110
FIG. III.26. Présentation global du système expérimental du FAP .................................................111
FIG. III.27. Présentation du circuit contrôle commande réalisé dans le laboratoire (a) .................112
FIG. III.28. Présentation du circuit contrôle commande réalisé dans le laboratoire (b) ................112
FIG. IV.01.Structure générale de la commande du FAP .................................................................114
FIG. IV.02.Formes d’ondes tension de source .................................................................................115
FIG. IV.03.Analyse harmonique tension de source......................................................................... 115
FIG. IV.04.Formes d’ondes des courants absorbés par la charge linéaire .....................................116
FIG. IV.05.Analyse harmonique des courants absorbés par la charge linéaire ...............................116
FIG. IV.06.Formes d’ondes des courants de source avant filtrage absorbés………………………….
par la charge non linéaire...............................................................................................118
11
Liste des figures
FIG. IV.07.Analyse harmonique des courants de source avant filtrage absorbés ……………………
par la charge non linéaire...............................................................................................118
FIG. IV.08.Formes d’onde des courants de source .........................................................................118
FIG. IV.09.Analyse harmonique des courants de source .................................................................118
FIG. IV.10.Formes d’onde des courants injectés par le FAP ........................................................118
FIG. IV.11. Analyse harmonique des courants injectés par le FAP .............................................. 118
FIG. IV.12.Forme d’onde courant de charge 𝐼𝑐ℎ .............................................................................120
FIG. IV.13.Forme d’onde courant fondamental 𝐼𝑐ℎ 𝐹 identifié par le filtre passe bas .....................120
FIG. IV.14. Formes d’ondes des courants des références harmoniques (phases 1 et 3)………....120
FIG. IV.15.Signal régulé 𝑉𝑟𝑒𝑓 sorti régulateur PI (en rouge) et la porteuse 𝑉𝑃 (en bleu) ..........121
FIG.IV.16. Ordres de commande MLI des deux interrupteurs (Phase n° 1) ...................................121
FIG.IV.17. Courant de référence harmonique et courant injecté ……………………………………
du FAP (Phase n°1)…………………………………………………………….……..121
FIG. IV.18.Tension de référence et tension de bus continue ...........................................................121
FIG. IV.19.Allures du régime transitoire pour le courant de source, courant…………………………
de charge et tension 𝑈𝑐 ……………………………………………….……………….122
12
Liste des tableaux
Liste des tableaux
Tableau. I.1.Différentes charges industrielles non linéaires ..............................................................26
Tableau. I.2. Principaux effets des harmoniques ................................................................................29
Tableau. I.3.Limites de distorsion de tension pour les fournisseurs (norme IEEE 519) ...................30
Tableau. I.4.Limites de distorsion de courant pour les systèmes généraux…………………………...
de distribution (norme IEEE 519) ..................................................................................31
Tableau. I.5.Limite des tensions harmoniques sur les réseaux basse tension (CEI 61000-2-2) ........32
Tableau. I.6.Limite des composantes harmoniques en courant (norme IEC 61000-3-2) ..................33
Tableau. I.7.Comparaison générale entre le filtre passif et le filtre actif ...........................................45
Tableau. I.8. Avantage et inconvénient des filtres actifs ....................................................................48
Tableau. II.1.Tensions générées par l'onduleur de tension à trois bras ..............................................62
Tableau.III.1.Cahier des charges du FAP…………………………………………………...…….91
Tableau. IV.1.Paramètres du système expérimental.........................................................................117
Tableau. IV.2.Récapitulatif des résultats ..........................................................................................119
13
Introduction
Générale
Introduction générale
Introduction générale
La large utilisation de charges non linéaires, telles que des redresseurs à diodes ou thyristors, des
alimentations à découpage, etc.…, provoque l’injection d’une énorme quantité d’harmoniques de
courant dans les réseaux de distribution. Ces harmoniques provoquent des distorsions de tension,
dépendant de l’impédance de la ligne, des pertes additionnelles dans les transformateurs et dans les
capacités des lignes et des défauts de fonctionnement d’équipements électroniques sensibles.
Pour cette raison, des standards de restrictions d’harmoniques ont été recommandés pour limiter les
harmoniques de courant injectés dans le réseau par des charges non linéaires.
Les filtres passifs tels que les filtres LC, souvent appelés filtres piégeurs d’harmoniques, ont été
utilisés pour éliminer les harmoniques de courants et améliorer le facteur de puissance.
Ces solutions sont très simples, à bas prix, et de grandes efficacités, mais leurs performances
dépendent énormément de l’impédance de la source et peuvent mener à une résonance non voulue
avec le réseau. De plus, ce type de filtre perd de son efficacité lorsque les caractéristiques de la
charge évoluent [47].
C’est pourquoi la solution des filtres actifs de puissance s’est largement développée cette dernière
décennie. Les filtres actifs sont un moyen efficace pour la compensation des harmoniques de
courants ou de tensions générées par des charges non linéaires. Ils compensent, en temps réel, les
perturbations dûes à des charges non linéaires en injectant sur le réseau les harmoniques et le
réactif des courants consommés par les charges non linéaires
afin que le réseau n’est plus qu’à
fournir un courant sinusoïdal et en phase avec la tension.
Néanmoins, la commande des filtres actifs est délicate car il faut identifier les perturbations et les
corriger en temps réel. En effet, ce type de filtre doit pouvoir compenser les perturbations même
lorsque les caractéristiques de la charge évoluent dans le temps.
Le travail réalisé au cours de ce mémoire consiste à étudier et réaliser un filtre actif parallèle
triphasé à structure de tension, notre principale contribution est la réalisation des circuits de
contrôle commande pour la génération des courant de référence, régulation des courants injectés du
filtre actif parallèle de puissance, régulation de la tension du bus continu de l’onduleur, circuit
14
Introduction générale
d’alimentation des IGBT et la protection de l’onduleur, le document présenté est rédigé en quatre
chapitres principaux qui se résument dans ce qui suit :
Dans le premier chapitre nous présenterons les perturbations dûes aux harmoniques, leurs origines,
leurs conséquences, la réglementation et les solutions utilisées pour la compensation harmoniques
traditionnelles et modernes de filtrage possibles sont présentés : filtrage passif, actif et hybride, on
se focalisera ensuite sur le filtrage actif parallèle.
Dans le deuxième chapitre nous exposerons la solution de réduction des harmoniques basés sur un
filtre active parallèle triphasé, une étude théorique de la topologie de filtre actif parallèle à structure
tension et sa stratégie de commande ainsi l’étude et le dimensionnement de ces éléments.
Au troisième chapitre, nous présenterons le dimensionnement et la réalisation du filtre actif
parallèle commandé en temps réel, un banc expérimental qui a été mis en œuvre lors de ce
mémoire. Il est constitué d’un onduleur triphasé à IGBTs à trois bras, sa commande est faite par
des cartes électroniques analogiques réalisées dans le laboratoire de l’université de Béchar.
Finalement nous terminons notre projet par le quatrième chapitre, relatifs aux résultats
expérimentaux du filtre actif parallèle.
15
Chapitre. I. Perturbations harmoniques des
réseaux électriques
Chapitre. I.
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
Chapitre. I. Perturbations harmoniques des réseaux électriques
I.1. Introduction
L’énergie électrique fournie au client par le distributeur
doit respecter
les exigences de la
continuité de service et la garantie de la qualité de l’énergie délivrée sous forme de trois tensions
sinusoïdales constituant un système triphasé équilibré
avec les paramètres caractéristiques
d’amplitude, de fréquence et la forme d’onde préconçues préalablement, le maintien de ces
paramètres
est
difficile à réaliser à cause de l’évolution et la complexité du réseau. Cette
tension subie généralement des altérations durant son transport jusqu'a son arrivée chez le client,
cependant les chercheurs dans le domaine de l’électrotechnique
ont classifiés les différentes
perturbations rencontrés d’origines diverses pouvant affecter la qualité de l’énergie électrique et les
solutions adéquates réalisables pour faire face au disfonctionnement et la destruction du réseau
électrique.
Parmi ces perturbations la pollution harmonique des réseaux électriques, générée par les appareils
issus de l’électronique de puissance, cette pollution a un effet direct sur le courant apparent qui tend
à être augmenté pour faire passer la même puissance active. Les perturbations harmoniques des
tensions ne font pas partie de notre étude, nous choisissons de nous consacrer à l’étude des
courants perturbateurs.
Dans la première partie de ce chapitre, nous étudierons les caractéristiques générales des
perturbations harmoniques. Ainsi, nous détaillerons les origines, les conséquences matérielles et les
limites tolérées et imposées par les normes internationales de ces perturbations.
Dans la deuxième partie, nous présenterons des solutions de compensation des harmoniques,
généralement proposées dans la littérature. Nous pourrons ainsi adopter la compensation active la
plus adéquate.
La dernière partie de ce chapitre sera consacrée à la présentation d’une synthèse sur les principes,
la mise en œuvre, classification et application des filtres actifs parallèles.
16
Chapitre. I.
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
I.2. Classification et caractéristiques des perturbations électriques
La qualité de l’énergie fournie par le producteur au client à travers le réseau électrique est liée à
la qualité de l’onde de tension aux points d’alimentation, cette tension est constituée d’un système
sinusoïdal triphasé, elle est caractérisée par les paramètres suivants :
la forme d’onde qui doit être plus proche de la sinusoïdale ; absence de distorsions, de
pics, de creux.
la symétrie, caractérisée par l’égalité des trois tensions et courants en amplitudes et en
phases.
L’amplitude et la valeur efficace des trois tensions et courants.
la stabilité de la fréquence.
le facteur de puissance.
L’analyse de la qualité d’énergie d’un réseau électrique, dépond de la mesure qui nous permet de
définir les anomalies, causés par des incidents dans les réseaux électriques, mauvaise exploitation
et utilisation de l’énergie électrique, ces anomalies s’expriment sous l’aspect de perturbations
composant un ou plusieurs des paramètres précédemment définis.
Les
perturbations
affectant
les
réseaux
électriques,
s’interprète
par
des
phénomènes
électromagnétiques qui dégrade la qualité d’énergie, et par conséquent elles causent des dégâts
importants, diminution des performances sur une partie ou l’ensemble du réseau électrique.
On présente dans ce chapitre les perturbations harmoniques qui affectent la qualité d’énergie des
réseaux électriques basse tension.
I.3. Pollution harmonique
La notion d’harmonique est introduite au début du XIXème siècle par Joseph Fourier qui illustra
que tout signal périodique non sinusoïdal peut être remplacé par une somme ou série de sinusoïdes
de fréquences discrètes (équation I.1).
Un courant déformé i (t) de période T (T = 20 ms à = 50 Hz) peut donc s'écrire de la façon
suivante [01] :
() = + ∑∞
∗ ( ∗ + )
(I.1)
Avec : ω=2*π* (pulsation de coupure à la fréquence fondamentale)
Et =2* π *
(pulsation de coupure à la fréquence du rang « h »)
17
Chapitre. I.
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
: Fréquence de la fondamentale, : Fréquence du rang « h »
Les fréquences harmoniques , sont définies comme les fréquences multiples de la fréquence dite
Fondamentale leur rang «h » est tel que: = h x f
: Courant du rang «h »
: Phase de à l'instant initial (t = 0)
La composante continue de la série dite de Fourier est la composante continue, la première
composante dite de rang 1 (h =1) est appelée composante fondamentale. Pour les systèmes
raccordés à un réseau électrique stabilisé, la fréquence de la composante fondamentale est
considérée comme étant fixe (50Hz en Algérie). Pour un réseau de bord, la fréquence peut être
variable (réseau aéronautique). Le reste des composantes de la série de Fourier sont appelées
harmoniques de rang h, où h désigne le numéro de la composante (le rang 2 correspond au
deuxième terme de la série de Fourier qui aura une fréquence double) [01].
I.3.1. Charges linéaires et non-linéaires
Une charge est dite linéaire lorsque son impédance est constante, le courant qu'elle absorbe est alors
sinusoïdal lorsque la tension est sinusoïdale.
Une charge est dite non linéaire lorsque son impédance varie au cours d'une même période, le
courant qu'elle absorbe n'est pas sinusoïdal lorsque la tension est sinusoïdale [02].
FIG.I.1. Formes d’onde (tension, courant)
FIG.I.2. Formes d’onde (tension, courant)
d’une charge linéaire
d’une charge non linéaire
18
Chapitre. I.
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
La figure I.3 montre un exemple d’un signal déformé qui est décomposé par plusieurs sinusoïdes
d’harmoniques [02].
FIG.I.3.Exemple d’harmoniques (Décomposition d’un signal déformé)
I.3.2. Caractérisation des perturbations harmoniques
La présence d’harmoniques dans un réseau électrique s’exprime par les grandeurs électriques
mentionnées ci-dessous :
Dans le cas où la tension et le courant seraient non-sinusoïdaux, ils peuvent êtres mis sous la forme
donnée respectivement par (I.2) et (I.3) : [03]
() + ∑∞
∗ ( ∗ + )
(I.2)
() + ∑∞
∗ ( ∗ + )
(I.3)
19
Chapitre. I.
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
: Phase de à l'instant initial (t = 0)
: Tension du rang «h »
: La composante continue de la tension
I.3.3. Mesures des harmoniques
La mesure des harmoniques permet de quantifier le niveau de perturbation, et de s’assurer de la
bonne qualité de l’énergie électrique. Ci après les termes utilisés pour définir les perturbations
harmoniques.
I.3.3.1. Valeurs efficaces
Les valeurs efficaces de la tension et du courant sont données respectivement par les équations (I.4)
et (I.5) [04].
= ∑∞
(I.4)
= ∑∞
(I.5)
: Valeur efficace de la tension harmonique de rang h
: Valeur efficace du courant harmonique de rang h
I.3.3.2. Valeur crête (Pic)
=
!"#$#
(I.6)
#%%
Si le facteur crête est différent de √2, le signal est "déformé" [02].
I.3.3.3. Taux de distorsion harmonique
Est le plus couramment utilisé, le terme T.H.D. (Total Harmonic Distortion) pour désigner le taux
de distorsion harmonique [04].
Les taux de distorsions en tension et en courant :
-/
#%%.
()*+ = ,∑∞
∗ 100%
- /
(I.7)
#%%0
()*4 = ,∑∞
/
#%%.
/
#%%0
∗ 100%
(I.8)
20
Chapitre. I.
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
et : valeurs efficaces tension et courant du fondamental
v6789 et : valeurs efficaces tension et courant du rang « h »
On définit aussi le taux individuel d'harmonique en % (τh) la valeur de chaque harmonique est
exprimée par son taux individuel (en pourcentage du fondamental) [02].
: = 100 ∗
;.
;.0
(I.9)
< : valeur efficace du rang h
< : valeur efficace du fondamontal
Le THD et le = doivent être complété par la répartition spectrale pour avoir une idée précise de
la pollution harmonique.
I.3.3.4. Spectre de fréquences
C'est la représentation graphique de l'amplitude des harmoniques en fonction de leur rang h [02].
FIG.I.4.Spectre de fréquences d'un courant non sinusoïdal
I.3.3.5. Puissances apparentes, actives, réactives et déformantes
La puissance apparente > est la puissance disponible, son expression est donnée par l’équation
(I.10)
> = ?@ + A (I.10)
Lorsque les harmoniques ne sont pas présents, S est égal à ∗ , qui est la définition classique de
la puissance apparente à la fréquence fondamentale.
La puissance active est la puissance qui se transforme en travail, elle est mesurée en Watt, son
expression est donnée par l’équation (I.11)
21
Chapitre. I.
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
@ = ∑∞
∗ ∗ BC D
(I.11)
D =( - ), déphase de la tension harmonique d’ordre « h » sur le courant harmonique d’ordre
« h ».
D : Phase de à l'instant initial (t = 0)
: Phase de à l'instant initial (t = 0)
La puissance réactive est une puissance qui est absorbée au réseau et qui ne se transforme pas en
travail. Elle est mesurée en VAR et son expression est donnée par l’équation (I.12).
A = ∑∞
∗ ∗ D
(I.12)
Dans le cas où il y a des harmoniques, une puissance supplémentaire appelée la puissance
déformante (D), donnée par les relations (I.13) et (I.14)
* = 3 ∗ ∗ ? + F + ⋯ (I.13)
* = ?> − @ − A (I.14)
Cette puissance est véhiculée par les tensions et les courants harmoniques de rang différents, elle
est dite puissance déformante et notée D.
Cette puissance est de nature réactive car les composantes harmoniques ne contribuent pas à la
production de la puissance active.
I.3.3.6. Facteur de puissance
Normalement, pour un signal sinusoïdal le facteur de puissance est donné par le rapport entre la
puissance active P et la puissance apparente S. Les générateurs, les transformateurs, les lignes de
transport et les appareils de contrôle et de mesure sont dimensionnés pour la tension et le courant
nominaux. Une faible valeur du facteur de puissance se traduit par une mauvaise utilisation de ces
équipements [05].
I
J
?J/ KL/ KM/
NOP Q∗NOP R
(I.15)
SC1: Facteur de déphasage, BC T : Facteur de déformation
I.3.3.7. Facteur de déphasage (du fondamental)
Le facteur de déphasage est le rapport entre la puissance active et la puissance apparente de la
composante fondamentale [02]:
22
Chapitre. I.
BC 1 =
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
U
V
(I.16)
Il peut aussi être défini par le cosinus du déphasage entre les composantes fondamentales de
courant et de tension :
φ = déphasage(, )
(I.17)
I.3.3.8. Facteur de déformation
Il caractérise le lien entre le facteur de puissance et le facteur de déphasage [02].
` =
ab
cde Q
En l'absence d'harmoniques, le facteur de puissance est égal à cos .
(I.18)
On voit bien que les harmoniques affectent aussi le facteur de puissance.
FIG. I.5 : Diagramme de Fresnel des puissances
I.3.3.9.Séquence des harmoniques
Si on suppose une charge non-linéaire triphasée, alors les courants absorbés par chaque phase seront
[06]:
h () = + ∗ cos( + ) + F ∗ cos( 3 ∗ + F ) + i ∗ cos(5 ∗ + i )
+k ∗ cos( 7 ∗ + k ) + ⋯ + ∗ cos( ℎ ∗ + )
2∗o
2∗o
+ ) + F ∗ cos[ 3 ∗ ( −
) + F ]
3
3
2∗o
2∗o
+i ∗ cos[5 ∗ ( −
) + i ] + k ∗ [7 ∗ ( −
) + k ]
3
3
(I.19)
n () = + ∗ cos( −
+ ⋯ + ∗ cos[ℎ ∗ ( −
∗r
F
) + ]
23
(I.20)
Chapitre. I.
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
2∗o
2∗o
+ ) + F ∗ cos[ 3 ∗ ( +
) + F ]
3
3
2∗o
2∗o
+i ∗ cos[5 ∗ ( +
) + i ] + k ∗ [7 ∗ ( +
) + k ]
3
3
c () = + ∗ cos( +
+ ⋯ + ∗ cos[ℎ ∗ ( +
∗r
F
) + ]
(I.21)
Le système d’équations (I.19, I.20, I.21) montre bien que les composantes fondamentales des
courants forment un système direct de même séquence que la tension réseau (figure I.6(a)) et (figure
I.6(c)), tout comme les composantes d’ordre 7, 13, 19,..., par contre les harmoniques d’ordre 5, 11,
17,... ; elles forment des systèmes inverses (figure I.6(b)) et enfin les harmoniques d’ordre multiple
de 3 c’est-`a-dire 3, 9, 15,..., elles forment des systèmes homopolaires (figure I.6(d)).
D’une manière générale, dans un système triphasé, les harmoniques d’ordre 6h+1 constituent des
systèmes directs, les harmoniques d’ordre 6h − 1 des systèmes inverses, et les harmoniques 6h + 3
des systèmes homopolaires.
FIG.I.6. Phaseurs des harmoniques 1, 5, 7 et 3.
I.4. Propagation des harmoniques dans les réseaux électriques
Soit un transformateur HTB/HTA alimentant deux départs moyenne tension. L’un de ces départs
comporte une source harmonique. Le réseau de distribution est composé par des lignes et des
transformateurs. Comme l’impédance des charge est nettement grande que celle des lignes, une part
importante du courant harmonique tend à circuler en direction des postes sources (les courants
harmoniques remontent à la source car ils suivent le parcours le moins impédant). Aussi, le
problème de propagation des harmoniques de courant se ramène à l’étude d’un simple diviseur de
tension étant donné que le jeu de barre HTA vu de départ propre apparaît comme une source de
tension [03].
24
Chapitre. I.
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
La propagation des harmoniques sur le réseau est schématisée dans la figure I.7 :
FIG.I.7. Propagation des harmoniques sur les réseaux électrique
I.5. Origine des harmoniques
La prolifération des équipements électriques utilisant des convertisseurs statiques a entraîné ces
dernières années une augmentation sensible du niveau de pollution harmonique des réseaux
électriques. Ces équipements électriques sont considérés comme des charges non linéaires émettant
des courants harmoniques dont les fréquences sont des multiples entiers de la fréquence
fondamentale, ou parfois à des fréquences quelconques. Le passage de ces courants harmoniques
dans les impédances du réseau électrique peut entraîner des tensions harmoniques aux points de
raccordement et alors polluer les consommateurs alimentés par le même réseau [07].
Ci-dessous un tableau regroupe les différentes charges industrielles non linéaires :
25
Chapitre. I.
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
Tableau. I.1.Différentes charges industrielles non linéaires
I.6. Conséquences des harmoniques
Les courants harmoniques associés aux différentes impédances du réseau vont donner naissance à
des tensions harmoniques qui vont se superposer à la tension fondamentale du réseau. La tension
qui en résulte n'est plus sinusoïdale. La pollution alors présente sur le réseau de distribution pourrait
être préjudiciable au bon fonctionnement de tous les récepteurs (ou charge) raccordés sur ce même
réseau. On distingue deux types d'effet des harmoniques sur les équipements électriques [08].
I.6.1. Effets instantanés
Ce sont les effets immédiats sur le bon fonctionnement d'un équipement. Par exemple, dans le cas
des appareils électroniques, il peut s'agir d'une altération de l'image pour les écrans de télévision ou
une altération du son s'il s'agit d'une chaîne HI-FI ou d'un téléphone. La précision des appareils de
26
Chapitre. I.
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
mesure est également affectée par la présence d'harmoniques [03]. Comme nous avons vus dans la
section I.3.3.6, la réduction du facteur de puissance causée par les effets des harmoniques diminue
de la puissance disponible dans le réseau électrique.
I.6.2. Effets différés
Ils se manifestent après une longue exposition au phénomène et se traduisent par une perte partielle
des fonctionnalités ou une destruction complète de l'appareil. L'échauffement des câbles et des
diverses enroulements d'une machine en est un exemple.
Ci âpres les nombreux effets des harmoniques sur les installations et les équipements électriques.
I.6.3. Echauffement
Les pertes totales par effet Joule sont la somme de celles du fondamental et des harmoniques [03].
@Ie = ∑s
∗ t
(I.22)
Avec le courant harmonique de rang qui représente le fondamental pour h=1, et R la résistance
traversée par le courant I9 . Les harmoniques augmentent aussi les pertes fer (pertes par courants de
Foucault). Ils prennent de l’importance dans les matériels utilisant les circuits magnétiques
(moteurs, transformateurs...). Ce sont des effets à termes qui se traduisent par une fatigue
prématurée amenant à un déclassement des équipements. Ces pertes supplémentaires occasionnées
par la présence des courants harmoniques réduisent remarquablement le rendement des équipements
tels que les moteurs, les transformateurs…. . [03].
I.6.4. Vieillissement des isolants
Est souvent dû à une contrainte en tension consécutive à la présence des harmoniques, et donc à une
augmentation locale du courant de fuite, ou encore à l’échauffement exagéré dans les conducteurs.
Le plus spectaculaire de ce type d’effet est la destruction d’équipement (condensateur,
disjoncteur…) [03].
I.6.5. Interférence dans les systèmes de télécommunication
Le couplage électromagnétique entre les réseaux électriques et de télécommunication peut
provoquer des interférences. L’importance de ces interférences est fonction de l’amplitude et de la
fréquence des courants électriques ainsi que de l’importance du couplage électromagnétique entre
les réseaux. Dans le cas de résonance, une partie des réseaux de télécommunication peut être rendue
inutilisable. On parle ici de compatibilité électromagnétique (C.E.M) afin de caractériser l’aptitude
27
Chapitre. I.
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
d’un appareil, ou d’un dispositif, à fonctionner normalement dans un environnement
électromagnétique sans produire lui-même des perturbations nuisibles aux autres appareils ou
dispositifs [09].
I.6.6. Risque d’excitation de résonance
C’est des effets instantanés, les équipements constitués de capacités ou d’inductances peuvent avoir
des fréquences de résonance proches de celles des fréquences d’harmoniques. C’est le cas lorsque
des batteries de capacité sont raccordées au réseau pour relever le facteur de puissance, les
fréquences de résonance peuvent devenir assez faibles, et coïncider ainsi avec celles des
harmoniques engendrés par les convertisseurs statiques. Dans ce cas, il y aura des phénomènes
d’amplification d’harmoniques, il peut apparaître des surtensions ou des surintensités qui puissent
détériorer les câbles, les transformateurs, les systèmes de protection, les batteries de capacité….
[03].
I.6.7. Vibrations mécaniques
La présence d'harmoniques peut engendrer des couples mécaniques pulsatoires à l'arbre des moteurs
asynchrones. Ces couples, qui sont dûs
aux champs tournant harmoniques, engendrent des
vibrations dans les moteurs asynchrones. Pour ce qui est des transformateurs, ils peuvent être
susceptibles d'entrer en résonance mécanique aux fréquences harmoniques, ce qui peut entraîner
une usure prématurée de cet équipement [08].
I.6.8. Effets sur le conducteur neutre
Dans un système équilibré, les composantes homopolaires dans le neutre sont nulles. Ceci n'est pas
le cas des systèmes comportant une charge non linéaire [10]. En effet, les courants homopolaires
des harmoniques de rang multiple de 3 vont s'additionner dans le conducteur neutre. L'intensité de
ces courants superposés peut endommager sérieusement le câble neutre.
I.6.9. Dysfonctionnement d'appareils utilisant la tension comme référence
Une tension déformée peut altérer le bon fonctionnement de certains appareils électroniques qui
utilisent les passages à zéro de la tension d'alimentation pour fonctionner adéquatement. En effet,
les tensions harmoniques peuvent créer des faux passages de la tension à zéro, ce qui engendre un
mauvais fonctionnement pour ces appareils. Divers équipements sont sensibles à cette
problématique, citons : les convertisseurs de courant, les automates programmables et certains
28
Chapitre. I.
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
appareils électroniques domestiques [08]. Le Tableau .I.2 résume les principaux effets des
harmoniques.
Matériels
Effets
Condensateurs de puissance
Echauffement, vieillissement prématuré (claquage).
résonance.
Moteurs
Pertes et échauffements supplémentaires.
Réduction des possibilités d’utilisation à pleine charge.
Couple pulsatoire (vibrations, fatigue mécanique).
Nuisances sonores.
Transformateurs
Pertes (ohmique-fer) et échauffements supplémentaires.
Vibrations mécaniques. Nuisances sonores.
Disjoncteurs
Déclenchements intempestifs (dépassements des valeurs crêtes de la
tension…).
Câbles
Pertes diélectriques et ohmiques supplémentaires
(particulièrement dans le neutre en cas de présence d’harmonique 3).
Ordinateurs
Troubles fonctionnelles.
Electronique de Puissance
Troubles liées à la forme d’onde (commutation, synchronisation).
Tableau. I.2.Principaux effets des harmoniques
I.7. Normes qualité d’énergie
La qualité de l’énergie électrique c’est la qualité de la tension dans un réseau électrique elle décrive
et défini les caractéristiques des phénomènes nuisibles au fonctionnement des réseaux électriques,
elle est parmi les problématiques les plus importantes dans l’enseignement de l’électrotechnique.
À cet effet des normes mondiales sont utilisées et exploitées à travers le monde pour décrire et
analyser les caractéristiques de la tension fourni par le réseau électrique, deux principales normes
standards reconnues au niveau mondial: Les normes IEEE et CEI
L’objectif de ces normes est de faire connaître aux clients les différents phénomènes affectant la
qualité de l’onde électrique, de définir leurs caractéristiques, et d’inciter les clients à tenir compte
de ces informations pour protéger adéquatement leurs équipements et minimiser les impacts
possibles des différentes perturbations.
29
Chapitre. I.
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
La C.E.I. (Commission Electrotechnique Internationale) et l’I.E.E.E (Institute of Electrical and
Electronics Engineers) sont les deux principaux organismes de normalisation internationaux dans le
domaine de l’électrotechnique. La CEI est un organisme officiel composé de comités nationaux de
63 pays, tandis que l’IEEE est une association professionnelle. Ces deux organismes réalisent la
principale activité de normalisation dans le domaine des perturbations électriques au niveau
mondial mais n’ont pas une uniformité de critères en ce qui concerne la définition des interactions
entre le réseau et les charges connectées.
Aujourd’hui le terme le plus répandu dans le domaine scientifique et industriel, accepté et utilisé par
l’IEEE, est celui de “Qualité de l’énergie”. Ce concept détermine les paramètres qui définissent les
propriétés du produit électricité en conditions normales, en termes de continuité de la fourniture et
des caractéristiques de la tension (symétrie, fréquence, amplitude, forme d’onde). Par conséquent,
cette vision essaie de déterminer les caractéristiques de la fourniture électrique afin de limiter son
influence sur les différentes charges connectées au réseau, et en même temps, de limiter l’influence
des charges sur le réseau de façon à éviter la modification de ses caractéristiques. Deux sociétés de
l’IEEE travaillent dans des domaines liés à la qualité de l’énergie, IAS (Industrial Applications
Society) et PES (Power Engineering Society). Leurs activités de normalisation sont gérées par le
comité SCC-22 (Standards Coordinating Committee on Power Quality) [01].
I.7.1.Norme IEEE 519
IEEE 519: 1992, Recommended Practices and Requirements for Harmonic.
Cette norme détermine la procédure pour contrôler les harmoniques présents sur le réseau électrique
ainsi que les limites recommandées de la pollution harmonique générée par les clients et de
distorsion harmonique totale sur le réseau [11].
Les tableaux 1.3 et 1.4 présente les caractéristiques de la norme IEEE 519
Niveau de tension
Taux de distorsion individuel
Taux de distorsion global de
de tension (%)
tension (%)
< 69 kV
3.0
5.0
> 69.001 kV et < 161 kV
1.5
2.5
> 161.001 kV
1.0
1.5
Tableau .I.3.Limites de distorsion de tension pour les fournisseurs (norme IEEE 519) [11].
30
Chapitre. I.
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
Distorsion maximale du courant harmonique en pourcentage de IL
Ordre harmonique individuel (harmoniques impairs)
ISC/IL
11
l<n<1
17 <n< 23
23<n<35
35 <n
l<n<1
7
TDD
7
<20
4.0
2.0
1.5
0.6
0.3
2.0
5%
20 < 50
7.0
3.5
2.5
1.0
0.5
3.5
8%
50 < 100
10.0
4.5
4.0
1.5
0.7
4.5
12%
100<1000
12.0
5.5
5.0
2.0
1.0
5.5
15%
>1000
15.0
7.0
6.0
2.5
1.4
7.0
20%
Les harmoniques pairs sont limités à 25% des limites des harmoniques impairs définis
ci-dessus
Iv : Demande maximale du courant de charge.
Iwx : Courant de court-circuit maximal.
Tzz : Taux de distorsion global du courant.
Tableau .I.4.Limites de distorsion de courant pour les systèmes généraux de distribution
(120 V à 69 000 V), (norme IEEE 519) [11].
I.7.2. Norme CEI (61000)
La CEI n’utilise le terme de qualité de l’énergie dans aucune de ces normes. En revanche, elle
utilise le concept de “Compatibilité Electromagnétique”. Ce concept est défini comme “la capacité
d’un dispositif, équipement ou système à fonctionner de façon satisfaisante dans son environnement
électromagnétique sans introduire de perturbations électromagnétiques intolérables pour les autres.
Les normes de la CEI sont regroupées dans la publication CEI-61000 [12].
I.7. 2.1.Norme CEI (CEI 61000-2-2)
Les niveaux tolérables pour les tensions harmoniques sur les réseaux basse tension sont détaillés
dans le tableau. I.5. (CEI 61000-2-2).
Les valeurs sont exprimées en pourcentage de la tension fondamentale à 50 Hz.
31
Chapitre. I.
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
Harmonique impaire
Harmonique impaire non
Harmonique paire
multiple du hang 3
multiple du hang 3
Rang h
Taux %
Rang h
Taux %
Rang h
Taux %
5
6
3
5
2
2
7
5
9
1,5
4
1
11
3,5
15
0,2
6
0,5
13
3
21
0,2
8
0,5
17
2
>21
10
0,5
19
1,5
12
0,2
23
1,5
>12
0,2
25
1,5
>25
0,2+0,5*25/h
Tableau. I.5.Limite des tensions harmoniques sur les réseaux basse tension (CEI 61000-2-2) [12].
Limite des distorsions harmoniques de tension (norme IEC 61000-2-2)
100kV > V > 30kV (avec THD < 3%). ** 30kV > V > 1kV (avec THD < 8%).
Le taux global de distorsion en BT doit ainsi rester inférieur à 8%, le ()*{ caractérise la
déformation de l’onde de tension.
Valeurs du()*{ mesurées et phénomènes observés dans une installation :
Inférieure à 5 % : normale, aucun dysfonctionnement n’est à craindre,
De 5 à 8 % : pollution harmonique significative, quelques dysfonctionnements sont
possibles
Supérieure à 8 % : pollution harmonique importante, des dysfonctionnements sont
probables. Une analyse approfondie et la mise en place de dispositifs d’atténuation sont
nécessaires.
I.7. 2.2. Norme CEI (CEI 61000-3-2) et (CEI 61000-3-12)
-CEI 61000-3-2 pour les appareils basse tension raccordés au réseau public absorbant un courant
inférieur ou égal à 16 A.
-CEI 61000-3-12 pour les appareils absorbant un courant supérieur à 16 A et inférieur ou égal à 75
A.
32
Chapitre. I.
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
Harmoniques impairs
Courant maximal admissible (A)
3
2.3
5
1.14
7
0.77
9
0.4
11
0.33
13
0.21
15 < h < 39
0.15 × 15/h
Harmoniques pairs
Courant maximal admissible (A)
2
1.08
4
0.43
6
0.30
8 < h < 40
0.23 × 8/h
Tableau. I.6.Limite des composantes harmoniques en courant (norme IEC 61000-3-2) [12].
Limite des distorsions des courants harmoniques (norme IEC 61000-3-2)
Le THD~ caractérise la déformation de l’onde de courant. La recherche du pollueur s’effectue en
mesurant le THD~ sur l’arrivée et sur chacun des départs des différents circuits, afin de s’orienter
vers le perturbateur.
Valeurs du THD~ mesurées et phénomènes observés dans une installation :
Inférieure à 10 % : normale, aucun dysfonctionnement n’est à craindre.
De 10 à 50 % : pollution harmonique significative, il y a risque d’échauffements, ce qui
implique le surdimensionnement des câbles et des sources.
Supérieure à 50 % : pollution harmonique importante, des dysfonctionnements sont
probables. Une analyse approfondie et la mise en place de dispositifs d’atténuation sont
nécessaires.
Ces normes consistent à sensibiliser le consommateur ainsi que le fabricant d’appareils polluants
pour le respect d’une certaine qualité de l’énergie absorbée.
I.8. Textes réglementaires
Outre les normes, il existe un ensemble de textes réglementaires sous forme de décrets, lois, arrêtés
qui déterminent des obligations légales.
33
Chapitre. I.
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
Les textes réglementaires sont d'application obligatoire sitôt publiés dans le journal officiel. Ils
imposent un règlement et parfois la conformité à certaines normes. Si elle n'est pas publiée dans le
journal officiel, une norme n'est pas d'application obligatoire. Ce n'est pas une contrainte mais c'est
une garantie de sécurité.
La norme définit le minimum des règles de l'art à prendre en compte pour protéger les personnes et
les biens. Une norme a une valeur juridique. En cas d'accident causé par une installation électrique,
c'est la conformité aux normes concernées qui fera jurisprudence. La responsabilité pénale sera
jugée et partagée entre l'installateur, le tableautier et le constructeur. Il faut donc pouvoir prouver la
conformité aux normes [02].
I.9. Solutions de dépollutions harmoniques
Diverses méthodes sont employées afin de réduire les pollutions harmoniques sur les réseaux de
distributions électriques. Parmi ces méthodes, citons : le surdimensionnement des éléments
composant le réseau, l'utilisation de transformateurs spéciaux, le filtrage passif et le filtrage actif.
Les deux derniers moyens de mitigation mentionnés sont les plus répandus.
I.9.1.Surdimensionnement du neutre
Comme nous l'avons mentionné à la section I.6.8 les courants homopolaires des harmoniques
s'additionnent dans le conducteur de neutre. Afin d'éviter l'usure prématurée du conducteur de
neutre, il peut s'avérer avantageux de surdimensionner ce dernier. Cette solution consiste à doubler,
voire même tripler les conducteurs de neutre [13].
I.9.2.Transformateurs spéciaux
I.9.2.1. Transformateur de mise à la terre
Afin d'éviter le passage des courants harmoniques par le conducteur de neutre, l'ajout d'un
transformateur de mise à la terre créant un neutre artificiel est une solution efficace. Ce type de
transformateur fournit un chemin de faible impédance pour les courants harmoniques qui sont
déviés dans son propre neutre. C'est donc dire, que seul le neutre du transformateur doit être en
mesure de supporter ces courants [08].
34
Chapitre. I.
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
FIG.I.8.Transformateur de mise à la terre
I.9.2.2. Transformateur de type K
Les transformateurs qui doivent supporter des courants déformés sont sujets à des pertes
additionnelles élevées. Si ces conditions de fonctionnement perdurent, il y a possibilité de
défaillance des transformateurs. Les organismes de normalisation ont reconnu ce phénomène et ont
récemment introduit un facteur K qui permet de quantifier l'effet d'une charge sur un
transformateur. Ce facteur K se définit comme suit :
 = ∑s
∗ ℎ
(I.23)
Ou : h : Rang de l'harmonique.
: Rapport entre le courant efficace à la fréquence h et le courant efficace total.
Une charge linéaire a un facteur K unitaire tandis qu'une charge non linéaire peut avoir un facteur K
qui dépasse 20. De la même manière, on assigne un facteur K unitaire à un transformateur servant à
alimenter une charge linéaire tandis qu'après essai, on assigne des facteurs K aux transformateurs
spécialement conçus pour alimenter des charges non linéaires. Pour une application donnée, le
facteur K du transformateur doit être supérieur au facteur K de la charge [08].
I.9.2.3. Transformateurs déphaseurs
Une autre solution pour la réduction des courants harmoniques est l'utilisation de transformateurs
déphaseurs (figure. I.9.). L'utilisation du transformateur triangle-triangle et du transformateur
triangle-étoile pour alimenter les deux charges non linéaires identiques a pour effet d'éliminer les
35
Chapitre. I.
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
courants du 5ieme et 7ieme harmoniques produits par ces charges. L'élimination de ces courants
harmoniques est dûe au 30° de déphasage entre les connexions des deux transformateurs. Si les
charges non linéaires sont identiques, les courants de 5’ieme et 7'eme harmoniques sont éliminés au
point commun de raccordement. Dans le cas contraire, un résidu de ces courants harmoniques sera
toujours présent sur le réseau. D'autres connexions de transformateurs déphaseurs peuvent être
employées pour éliminer des harmoniques de rangs plus élevés [08].
FIG.I.9.Utilisation des transformateurs déphaseurs pour éliminer les 5ieme et 7ieme harmoniques
I.9.3. Stratégies classiques
Avant d’envisager de mettre en place une solution de filtrage pour combattre les harmoniques, il
faut s’intéresser au mode de raccordement du récepteur pollueur vis-à-vis de l’installation
concernée et vis-à-vis des autres charges présentes sur le même réseau.
En effet, le branchement de la charge non linéaire doit être réalisé, si possible, sur la source
présentant l’impédance la plus faible (transformateur le plus puissant par exemple). Lorsque
l’impédance de source est faible, la puissance de court-circuit est importante, ce qui réduit les
problèmes dûs aux harmoniques. Aussi, les charges polluantes doivent être raccordées le plus en
amont possible de la source afin de bénéficier du niveau le plus élevé de puissance de court-circuit,
FIG.I.10.
D’autre part, il faut éviter de raccorder un récepteur sensible à proximité d’une charge déformante
[04].
36
Chapitre. I.
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
FIG.I.10.Préconisation de raccordement des charges déformantes
I.9.4. Renforcement du réseau
L’impédance de court-circuit en un point du réseau est inversement proportionnelle et d’autant plus
réduit si la puissance de court-circuit est grande.
La diminution de l’impédance totale en amont de la charge non-linéaire permet de réduire les
tensions harmoniques créées par les harmoniques de courant, et donc de diminuer le taux de
distorsion harmonique en tension au point de raccordement. En revanche, les courants harmoniques
ne sont pas atténués [14].
I.9.5. Augmentation de l’indice de pulsation
Cette stratégie consiste à remplacer les redresseurs simples par des structures complexes mais qui
permettent d’augmenter l’indice de pulsation des courants de sortie offrent des courants plus lisses
coté charge et permettent de réduire la déformation du courant coté amont. Un exemple typique de
ces structures est donne sur la figure I.11, il s’agit d’un montage dodécaphase parallèle [15].
37
Chapitre. I.
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
FIG.I.11. Redresseur dédocaphasé parallèle
I.9.6. Redresseur MLI
Les redresseurs MLI [16], sont des onduleurs utilisés à l’inverse basés sur des interrupteurs bicommandables à hautes fréquences comme l’IGBT. Ils permettent de produire, à facteur de
puissance unitaire, une tension continue à partir d’un réseau alternatif, en absorbant sur le réseau
des courants sinusoïdaux, ainsi réduire ou éliminer les émissions d’harmoniques dans le réseau. On
peut aussi régler par contrôle, l’énergie réactive absorbée ou fournie. Il s’agit dans la majorité des
cas d’alimentations des machines à vitesse variable par exemple. Le transfert d’´energie entre le
réseau alternatif et le convertisseur (onduleur de tension), nécessite l’insertion d’une inductance L
en série. Dans le fonctionnement en redresseur MLI, le réseau alternatif impose la valeur de la
tension d’entrée du coté convertisseur, la tension sur le bus continu dépend à la fois de la tension
alternative et de la commande MLI.
Idc
Ic
ea
R
L
Ich
+
+
Uc
eb
ec
Charge
-
-
Commande
FIG.I.12 redresseur MLI
38
Erreur
Ucref
+
Chapitre. I.
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
I.9.7. Filtrage passif
I.9.7.1. Principe de fonctionnement des filtres passifs
Le principe du filtrage passif est de modifier localement l'impédance du réseau afin de faire dévier
les courants harmoniques et, du même coup, éliminer les tensions harmoniques résultantes. Ces
filtres sont composés d'éléments capacitifs et inductifs qui sont disposés de manière à obtenir une
résonance série sur une fréquence déterminée. Afin de concevoir ce type de filtre, une connaissance
précise des caractéristiques et du comportement du réseau sous l'effet des harmoniques est
nécessaire. Une telle exigence de conception est généralement satisfaite à l'aide d'un logiciel de
simulation. Les types de filtre passif utilisés sont choisis en fonction de l'atténuation harmonique
recherchée [18].
I.9.7.2. Classification des filtres passifs
II est possible de classifier les filtres passifs selon leur emplacement sur le réseau, leur mode de
connexion, leur degré d'amortissement de même que leur fréquence de résonance.
Les filtres passifs peuvent se diviser en deux familles, soit les filtres parallèles et les filtres séries.
Selon le type choisi, les harmoniques peuvent être (a) littéralement bloqués par une impédance série
élevée entre le convertisseur et le réseau, (b) déviés par une faible impédance en parallèle ou (c) une
combinaison des deux [08].
FIG.I.13. a) Filtre passif série b) Filtre passif parallèle
39
Chapitre. I.
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
I.9.7.3. Filtre passif parallèle
Le filtre parallèle est utilisé exclusivement du côté alternatif pour deux raisons :
1) II porte uniquement le courant harmonique et est lié à la terre.
2) À la fréquence fondamentale, il possède l’avantage de fournir de la puissance réactive. Pour une
efficacité équivalente au filtre série, le filtre parallèle est beaucoup moins cher. Le filtre parallèle est
surtout utilisé dans le cas des charges génératrices de courants harmoniques alors que le filtre série
l’est pour les charges génératrices de tensions harmoniques [19]. Il existe deux types de filtres
parallèles [08].
a) Filtre résonant
FIG.I.14.Filtre résonant
Le filtre résonant a pour caractéristique une impédance très faible à un courant harmonique de rang
déterminé. Le facteur de qualité (Q) détermine la précision du réglage de l'harmonique
correspondant ainsi que son efficacité à l'éliminer. Ce qui implique un facteur de qualité élevé pour
ce type de filtre. Pour chaque rang d'harmoniques à filtrer, nous devons compter trois branches
shunt (un filtre shunt pour chaque phase). Le filtre résonant fournit une partie de la puissance
réactive au convertisseur par ses capacités. L'inconvénient de ce type de filtre shunt est la variation
des éléments L et C dûe à leur vieillissement et à leur qualité. Ces facteurs ont pour effet de créer un
désaccord de l'ensemble. Afin d'éliminer un rang harmonique particulier, un filtre résonant ajusté
pour cette fréquence doit être installé sur chacune des trois phases. De plus, l'ajout de ce type de
filtre peut causer des résonances parallèles avec l'impédance du réseau. Il y a également risque de
résonance si deux filtres résonants ajustés à la même fréquence sont présents sur un même réseau. Il
est donc particulièrement important d'avoir une bonne connaissance du comportement du réseau
sous l'effet d'harmoniques avant l'installation de ce type de filtre [08].
40
Chapitre. I.
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
b) Filtre amorti
FIG.I.15.Filtres amortis
FIG.I.16.types de filtres amortis
On distingue trois types de filtre amorti, les filtres amortis de premier ordre (a), les filtres amortis de
second ordre (b) et les filtres de troisième ordre (c). Les filtres amortis offrent plusieurs avantages :
1) Leurs performances sont moins sensibles aux variations de température, aux déviations de
fréquence, aux tolérances des composantes, etc.
2) Ils présentent une faible valeur d'impédance pour une large gamme de fréquences harmoniques.
3) L'usage de multiples filtres résonants peut provoquer des résonances parallèles entre les filtres
et l'admittance du réseau. Dans ce cas, l'usage d'un ou de plusieurs filtres amortis est préférable.
Les principaux désavantages du filtre amorti sont les suivant :
4) Pour atteindre des performances similaires au filtre résonant, le filtre amorti doit être conçu pour
un taux de puissance apparente (S) élevé, bien que dans la plupart des cas de bonnes performances
peuvent être obtenues avec la limite requise pour la compensation du facteur de puissance.
5) Les pertes dans la résistance sont généralement élevées.
Le filtre de premier ordre n'est pas très utilisé, car il exige une grande capacité et présente une perte
de puissance excessive à la fréquence fondamentale. Le filtre de second ordre fournit de meilleures
performances de filtrage, mais avec des pertes plus élevées à la fréquence fondamentale que le filtre
de troisième ordre. Ces deux derniers sont en général conçus avec un faible facteur de qualité Q
compris entre 0,7 et 1,4. Le principal avantage du filtre amorti de troisième ordre sur le deuxième
ordre est une réduction substantielle des provoquée par la présence du condensateur C . De plus, la
taille de C est petite comparativement à C . En pratique, il est courant de mettre en œuvre :
Des filtres résonants accordés sur les premiers rangs harmoniques (rangs 5 et 7) où les injections
des courants sont importantes. Un filtre amorti pour limiter l'impédance harmonique sur le reste du
spectre (rangs >11) [08].
41
Chapitre. I.
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
La figure I.17 illustre un exemple de raccordement d'un tel montage sur un réseau monophasé. [08].
FIG.I.17.Schéma monophasé d’un réseau avec deux filtres résonant et un filtre amorti
I.9.7.4. Coût du filtre passif
Le coût d'un filtre est de l'ordre de 5 à 15 % du coût de tout l'équipement de la station de conversion
(ca/cc). Il est réparti entre la puissance réactive que doit générer le filtre et le filtrage des
harmoniques, mais sans base logique de la division. Le but est donc de concevoir un filtre à coût
minimum qui filtre adéquatement et qui fournit une partie de la puissance réactive. Fait important à
noter, la capacité représente environ 60 % du coût total du filtre. Avec ces données, une conception
précise du filtre est bien justifiée [08].
I.9.8. Filtrage actif
Les filtres actifs de puissance ont été étudiés pour la compensation d’harmoniques dans les réseaux
de puissance industriels depuis le principe de compensation proposé par H. Sasaki et T. Machida en
1971 [20].
Dans ces années, le filtrage actif ne connaissait que des progrès au stade théorique en laboratoire.
La technologie des semi-conducteurs n’était pas encore assez développée pour l’implantation
pratique du principe de compensation. Quelques années plus tard, la technologie des semiconducteurs de puissance connaissait une éclosion remarquable. Ce phénomène a stimulé l’intérêt
dans la recherche du filtrage actif pour la compensation d’harmoniques. En plus de la technologie
de commande de modulation en largeur d’impulsion (MLI), le développement de l’étude théorique
a rendu possible leur matérialisation au niveau pratique. Au début des années 1990, le filtre actif a
connu un regain d’intérêts. Il a été démontré que ses performances de compensation d’harmoniques
sont supérieures à celles d’un filtre passif LC classique [21].
42
Chapitre. I.
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
De nos jours, les filtres actifs ont atteint une maturité technologique sans précédent. Ils peuvent
faire la compensation d’harmoniques, de puissance réactive et/ou de courant de neutre. Ils ont
évolué dans le dernier quart de siècle au niveau de la variété de leur configuration, de leur stratégie
de commande et de leurs semi-conducteurs de puissance.
Les filtres actifs sont maintenant utilisés dans d’autres domaines que la compensation
d’harmoniques. On les utilise maintenant dans la régulation de tension, pour supprimer le
papillotement de la tension et pour améliorer l’équilibre des phases a-b-c des systèmes de
distribution triphasés [22].
I.9.8.1. Structure d’un filtre actif
Un filtre actif est constitue d’un circuit de commande et un circuit de puissance, au cœur de ce
dernier, un onduleur généralement, de tension, ajouter à ceci un système de stockage d’´energie et
éventuellement des filtres passifs. Voire figure I.18.
FIG.I.18.Structure d’un filtre actif.
I.9.8.2. Principe de fonctionnement du filtre actif
Les filtres actifs sont composés d’onduleurs qui sont des convertisseurs statiques de puissance,
alimentés par une source de courant ou de tension continue. L’onduleur peut délivrer un courant ou
une tension dont le contenu harmonique dépend uniquement de la loi de commande de commutation
43
Chapitre. I.
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
des interrupteurs [23]. Les filtres actifs agissent donc comme des sources de tension ou de courant
harmoniques en opposition de phase avec ceux du réseau afin de rétablir un courant ou tension de
source quasi sinusoïdal. Le filtre actif peut être connecté au réseau en série ou en parallèle, suivant
qu’il est conçu pour compenser les tensions ou les courants harmoniques, la figure I.19 présente le
principe de fonctionnement d’un filtre actif parallèle de puissance.
FIG.I.19.Principe de fonctionnement du filtre actif parallèle
e : Courant de source sinusoïdale (fondamental).
: Courant (harmonique) injecté du filtre actif parallèle.
I.9.8.3. Coût du filtre actif
Le coût du filtre actif varie principalement en fonction de la taille de son élément de stockage
d’énergie, du nombre de semi-conducteurs qu’il contient ainsi que de sa topologie. Pour les
applications de faibles et moyennes puissances, l’élément de stockage d’énergie capacitif s’avère
plus efficace et moins coûteux que l’élément de stockage d’énergie inductif. De façon
complémentaire, l’élément de stockage d’énergie inductif, composé d’une bobine supraconductrice,
est plus fiable dans les applications de haute puissance. Pour ce qui est du dernier point, il est à
noter que des améliorations doivent encore être faites, car les bobines supraconductrices sont encore
au stade de recherche. Comme nous venons juste de le voir, la topologie du filtre actif joue un grand
rôle dans le coût en amenant des économies potentielles du montage. La topologie hybride, de son
côté, permet de réduire les coûts du filtre actif (réduction de la taille de l’élément de stockage
d’énergie) puisque la majorité de la compensation harmonique est effectuée par le filtre passif [08].
44
Chapitre. I.
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
I.9.8.4. Effet de l’impédance du réseau sur le filtre actif
L’effet de l’impédance du réseau est moindre que dans le cas du filtre passif. Le risque de résonance
entre le filtre actif et l’impédance du réseau est inexistant. Ceci n’est pas un facteur aussi
déterminant lors de la conception, mais l’efficacité de compensation d’harmoniques du filtre actif
est tout de même reliée à l’impédance du réseau et aussi par le type de charges génératrices
d’harmoniques [24].
I.9.8.5. Comparaison générale entre le filtre passif et le filtre actif
Le tableau ci-dessous illustre les différents avantages et inconvénients majeurs des deux types de
dispositif de filtrage [08].
Caractéristiques
Filtre passif
Filtre actif
Adaptation à l’évolution de la
Non
Oui, se fait automatique
Limite de compensation de
- le filtre résonant ne compense
Compense dans la limite de sa
rang harmonique
qu’un rang harmonique à la
bande passante qui est
fois
déterminée par la fréquence de
- le filtre amorti compense
commutation maximale des
dans la limite de sa bande
semi- conducteurs de son
passante
onduleur
Oui
Non
Oui
Oui, mais à cout plus élevé que
charge du réseau
Risque de résonance entre le
filtre et le réseau
Compensation de puissance
réactive
pour le filtre passif
Possibilité de surcharge
Oui
Non
Oui
Oui, mais à cout très élevé
lorsque le courant harmonique
dépasse le dimensionnement
du filtre
Compensation dans les réseaux
haute puissance
Tableau .I.7 Comparaison générale entre le filtre passif et le filtre actif
45
Chapitre. I.
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
I.9.9. Topologie des filtres actifs
Les FA peuvent être en parallèle, en série ou mixtes
I.9.9.1. Filtre actif parallèle (F.A.P)
Le filtre actif parallèle (FAP) est surtout utilisé pour éliminer les courants harmoniques
engendrés par les charges génératrices de courants harmoniques. Il peut cependant, dans certaines
conditions, être utilisé pour compenser la puissance réactive (STATCOM), pour amortir les
résonances parallèle ou série dûes à l’interaction entre la ligne et le filtre passif et pour balancer des
courants déséquilibrés. Le FAP est un onduleur modulé en largeur d’impulsion (MLI) qui est placé
en parallèle avec la charge dans le but d’injecter un courant harmonique de même amplitude et de
phase opposée que celui de la charge. Le FAP agit comme une source de courant harmonique
réglable [22].
Les filtres actifs parallèles, à part pour compenser certains harmoniques, ont aussi d’autres possibles
fonctionnalités :
-
Contrôle de la puissance réactive
-
Equilibrage des charges
-
Réduction du flicker
-
Redresseur à prélèvement sinusoïdal
e : Courant de source
c : Courant de charge
: Courant injecté du filtre
FIG.I.20.Filtre actif parallèle
46
Chapitre. I.
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
I.9.9.2.Filtre actif série (F.A.S)
Le filtre actif série (FAS) est placé en série entre la source et la charge non linéaire pour forcer le
courant de la source à être sinusoïdal. Cette approche est basée sur le principe d’isoler les
harmoniques par le contrôle de la tension de sortie du FAS. En d’autres mots, le FAS présente une
impédance élevée au courant harmonique, ce qui isole ces courants les empêchant ainsi d’aller vers
la source ou vers la charge. Il se comporte donc, comme une source de tension contrôlable. Le FAS
est surtout utilisé pour filtrer les harmoniques générés par les charges de tensions harmoniques [25].
: Tension injecté du filtre
FIG.I.21.Filtre actif série
I.9.9.3. Combinaison parallèle-série actif (UPQC)
La combinaison d’un filtre actif série et d’un filtre actif parallèle se nomme :
Conditionneur universel de la qualité d’onde (UPQC), de son origine anglaise, « Unified Power
Quality Conditionner ». Cette structure permet d’aller chercher plusieurs fonctions simultanément
servant à améliorer la qualité de la tension (compensation d’harmoniques, de puissance réactive,
régulation et stabilisation de tension, etc.). Le FAS a pour principales fonctions d’isoler les
harmoniques entre la source et la charge polluante, de compenser la puissance réactive et les
tensions déséquilibrées. Le rôle du FAP est d’absorber les courants harmoniques, de compenser la
puissance réactive, de compenser les courants de séquence négative et de faire la régulation de la
capacité du bus continue entre les deux filtres actifs [22].
47
Chapitre. I.
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
FIG.I.22.Combinaison parallèle-série actif (UPQC)
Le tableau I.8.Résume les avantages et inconvénient des FA
Topologies
avantages
Inconvénients
Filtre actif série
amélioration de la forme de
pas d’amélioration de la forme
tension
du courant
-amélioration de la forme de
-amélioration de la forme de
courant et de tension
tension pas toujours évidente
Filtre actif parallèle
-amélioration du facteur de
puissance
Filtre universel
-amélioration de la forme du
-réalisation difficile
courant, amélioration de la
forme de la tension
-adaptabilité aux variations de
charge et du réseau
Tableau I.8.Avantage et inconvénient des filtres actifs [06]
48
Chapitre. I.
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
I.9.9.4. Combinaison hybride active et passive
Afin de réduire le dimensionnement et par conséquent le prix des filtres actifs, l’association de
filtres actifs de faible puissance à des filtres passifs peut être une solution. Dans ce cas, les filtres
passifs ont pour rôle d’éliminer les harmoniques prépondérants permettant de réduire le
dimensionnement des filtres actifs qui ne compensent que le reste des perturbations.
Plusieurs configurations ont été présentées dans la littérature [26], les plus étudiées étant:
-
(a). Filtre actif série avec des filtres passifs parallèles
-
(b). Filtre actif série connecté en série avec des filtres passifs parallèles
-
(c). Filtre actif parallèle avec un filtre passif parallèle
Filtre actif série avec des filtres passifs parallèles
Il empêche les courants harmoniques de circuler vers le réseau et les oblige à passer par les filtres
passifs raccordés à leurs fréquences.
FIG.I.23.Filtre actif série avec des filtres passifs parallèles
Filtre actif série connecté en série avec des filtres passifs parallèle
Il a le même principe que la combinaison d’avant avec l’avantage de réduire encore le
dimensionnement du FAS car le courant qui le travers est plus faible. De plus, le FAS est à l’abri
d’un éventuel court-circuit de la charge.
49
Chapitre. I.
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
FIG.I.24.Filtre actif série connecté en série avec des filtres passifs parallèles
Filtre actif parallèle avec un filtre passif parallèle
Il a le rôle de compenser des courants harmoniques basses fréquences émis par la charge polluante.
Le filtre passif accordé sur une fréquence élevée, élimine les harmoniques hautes y compris ceux
crées par le filtre actif parallèle. Ce type déjà été appliqué à la compensation des courants
harmoniques émis par un cycloconvertisseur de forte puissance.
FIG.I.25.Filtre actif parallèle avec un filtre passif parallèle.
Des trois solutions possibles présentées (filtres passifs, actifs et hybrides), on ne s’intéresse dans
cette étude qu’au filtre actif, et en particulier, au filtre actif parallèle. Ce choix a été arrêté par le fait
que le filtre actif parallèle est un dispositif bien connu, très développé et déjà commercialisé. On le
considère donc comme un outil support pour nos travaux, à savoir pouvoir synthétiser les structures
de contrôle qui seront présentées dans le chapitre suivant.
50
Chapitre. I.
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
Les filtres actifs parallèles de puissance sont composés d’un onduleur connecté au réseau à travers
d’un filtre de nature inductive.
I.10. Synthèse des filtres actifs parallèles
I.10.1. Mise en œuvre des filtres actifs parallèles
Les premiers principes de fonctionnement des filtres actifs parallèles ont été présentés dans la
littérature dès le début des années 1970. En 1976, une première famille de filtre actif parallèle a été
conçue à partir d’onduleurs à transistors de puissance commandés en MLI. Ces premiers dispositifs
de puissance étaient alors proposés pour la seule compensation des courants harmoniques.
Cependant, à cette époque, il était encore difficile de concevoir ce type de système pour des
applications industrielles. En effet, dans ces années là, il était presque impossible de trouver, sur le
marché, des interrupteurs de puissance capables de fonctionner aux fréquences de commutation et
aux niveaux de puissance exigés par la réalité industrielle. Cette barrière technologique sera
franchie, dès 1977, lors de la conception d’un premier prototype de filtre actif parallèle à base de
thyristors à commutations naturelles pour la compensation de courant harmonique. Cependant,
l’application des onduleurs à base de thyristor a tout de suite posé le problème de la génération non
désirée de composantes injectées sur le réseau à la fréquence de commutation. La même raison a
également empêché l’utilisation de compensateurs statiques parallèles à thyristors, lesquels avaient
été conçus pour la compensation conjointe de la puissance réactive et des courants déséquilibrés.
Au cours des années 1980, des progrès importants dans le domaine des semi-conducteurs ont
permis de développer de nouveaux composants de puissance associant hautes fréquences de
commutation et fortes puissances. Profitant de ces avancées, et de l’avènement des interrupteurs de
puissance du type GTO et IGBT, de nombreux onduleurs de puissance, commandés en MLI, ont pu
être conçus en vue de répondre aux contraintes industrielles de conception des filtres actifs
parallèles. Ainsi, ces derniers ont commencé à être commercialisés et installés à travers le monde, et
plus spécialement dans les pays les plus industrialisés comme le Japon. Ces premiers prototypes ne
compensaient alors que les perturbations harmoniques de courant. Suite à ces premiers
développements, d’autres types de filtre actif parallèle ont pu être réalisés pour compenser à la fois
la puissance réactive, et/ou les harmoniques et les déséquilibres de courant.
Actuellement, les filtres actifs parallèles sont essentiellement installés par les consommateurs
industriels. L’évolution future de ces dispositifs de puissance pourrait autoriser le fournisseur
d’énergie à prendre un rôle plus important, en lui permettant de les installer lui-même. Cette
approche permettrait d’amortir la propagation des harmoniques causées par la résonance, laquelle
peut être observée entre les inductances du réseau et les batteries de condensateur installées pour
51
Chapitre. I.
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
améliorer le facteur de puissance. De même, des filtres actifs parallèles installés par le fournisseur
auraient aussi pour objectif de réduire la distorsion harmonique de tension en amont, côté réseau
électrique [05].
I.10.2. Applications des filtres actifs parallèles
La principale charge polluante, le redresseur à diodes ou à thyristors, est très utilisée que cela soit
pour alimenter des charges continues à partir du réseau ou comme un élément d’interfaçage au
réseau dans une conversion à étage intermédiaire continu. De plus en plus de dispositifs de ce type
se connectent au réseau électrique. De ce fait, les filtres actifs parallèles ont un champ d’utilisation
naturel dans les applications de réseau, notamment dans les réseaux faibles avec plusieurs charges
polluantes et dans les réseaux à courant continu en haute tension (HVDC).
Les filtres actifs parallèles sont également utilisés dans des applications industrielles, afin de
dépolluer une zone avec plusieurs charges non linéaires (redresseurs, certains éclairages, etc.).
En fin, le filtrage actif est également employé dans les applications tertiaires car les filtres actifs
parallèles peuvent être intéressants dans les bâtiments commerciaux, hôpitaux, etc. dans lesquels il
y a de nombreuses charges polluantes comme des ordinateurs, éclairage économique, imprimantes
lasers, etc. Ces filtres actifs compensent les courants harmoniques, les courants réactifs et les
déséquilibres des charges.
Les applications réseau, industrielles, tertiaires et en télécommunications apparaissent comme des
environnements particulièrement pollués par les harmoniques.
On peut tout de même préciser que quelques fabricants proposent sur leurs catalogues des filtres
actifs parallèles: ABB, Siemens, MGE UPS, AIM Europe et Mesta Electronics.
Tous ces fabricants utilisent des composants suffisamment rapides comme les transistors IGBT. La
puissance de ces filtres varie selon le fabricant et selon le modèle avec des gammes allant de 10 à
2000KVA. La quasi-totalité des filtres actifs sont triphasés, ils se connectent tous en basse tension
(V<690V), supportent des courants entre 300-480A et donnent le choix de se connecter avec ou
sans neutre raccordé. Les filtres permettent une compensation globale des harmoniques, souvent
jusqu’à l’harmonique 50. Ces filtres actifs, en plus de réduire les courants harmoniques, améliorent
le facteur de puissance et équilibrent les charges triphasées. L’utilisation de ces filtres produit une
réduction des coûts d’exploitation et une prolongation de la durée de vie des installations [27].
I.10.3. Classement des filtres actifs parallèles
Il existe une grande variété de types de filtres actifs parallèles. Ils sont classés de différentes
manières selon le nombre de phases, la technologie de l’onduleur et la topologie [28] :
52
Chapitre. I.
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
-
Filtres actifs monophasés ou triphasés.
-
Filtres actifs avec ou sans neutre raccordé.
-
Filtres actifs basés sur l’onduleur de tension ou sur le commutateur de courant.
I.10.3.1. Filtre actif triphasé constitué d’un onduleur triphasé à trois bras
La configuration la plus répandue est le filtre actif de puissance parallèle à trois bras. Les trois bras
de l'onduleur sont formés par six interrupteurs bidirectionnels en courant, qui sont des composants
semi-conducteurs commandés à la fermeture et à l'ouverture (transistors bipolaires, IGBT ou IGCT)
comportant une diode en antiparallèle. Cet onduleur est connecté au réseau électrique par un filtre
dit de découplage. Son schéma de principe est illustré à la figure I.26 [29].
FIG.I.26.Onduleur triphasé à trois bras
I.10.3.2. Filtres actifs avec neutre raccordé
I.10.3.2.1. Filtre actif triphasé constitué d’un onduleur triphasé à trois bras avec condensateur
à point milieu
Cette topologie est constituée de six interrupteurs réversibles en courant, commandés à la fermeture
et à l'ouverture. Ils forment les trois bras d'un onduleur triphasé. Un quatrième bras est constitué de
deux condensateurs dont le point milieu est relié au neutre du réseau électrique. Ici, la commande de
l’onduleur n’impose que trois courants, le quatrième étant alors imposé par le montage. La figure
I.27 présente cette topologie [29].
53
Chapitre. I.
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
FIG.I.27.Onduleur triphasé à trois bras avec condensateurs à point milieu
I.10.3.2.2. Filtre actif triphasé constitué d’un onduleur triphasé à quatre bras
Dans cette configuration, nous utilisons un onduleur comprenant quatre bras constitués de huit
interrupteurs réversibles en courant comme l'illustre la figure I.28. Cette configuration a été
proposée afin d'éviter le recours à un élément de stockage à point milieu comme celle de la
configuration précédente [29].
S1
S2
S3
S4
C
S5
S6
S7
Uc
S8
FIG.I.28.Onduleur triphasé à quatre bras
Les filtres actifs monophasés sont largement utilisés dans les applications industrielles, en basse
tension (les redresseurs des sources d’alimentation en continu), ainsi que dans le cas de la traction
électrique. Les filtres actifs triphasés sont utilisés pour des applications de type variateurs ou
redresseurs à dépolluer.
Les filtres actifs avec neutre raccordé ont été développés afin de pouvoir injecter et compenser les
composantes homopolaires. Dans la littérature la plupart des filtres sont connectés sans neutre
raccordé. Toutefois, on trouve plusieurs filtres avec neutre raccordé : certains avec un onduleur à
trois bras et d’autres avec un onduleur à quatre bras.
54
Chapitre. I.
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
En ce qui concerne la technologie de l’onduleur, les filtres actifs sont soit basés sur l’onduleur de
tension avec un condensateur côté du continu et un filtre de raccordement inductif du côté réseau,
soit sur un commutateur de courant avec une inductance du côté continu et un filtre de
raccordement capacitif du côté du réseau (Figure I.29) [29].
L
L
L
L
Ldc
L
C
C
Cdc
L
C
FIG.I.29.Filtre actif basé sur un onduleur de tension (à gauche) et un commutateur de courant ( à
droite)
Actuellement, même si l’on trouve des articles basés sur le commutateur de courant, l’onduleur de
tension est généralement préféré à cause de son meilleur rendement, de son moindre coût et de son
volume plus réduit (si l’on compare le condensateur et l’inductance du côté continu).
Par ailleurs, les modules à IGBTs disponibles actuellement sur le marché sont bien adaptés aux
onduleurs de tension car en général une diode en antiparallèle est rajoutée pour chaque IGBT. Le
commutateur de courant a quant à lui besoin de mettre en série avec chaque IGBT une diode antiretour. De plus, un aspect vient clore provisoirement le choix : le commutateur de courant ne peut
pas être utilisé avec des topologies multi niveaux classiques. En conséquence, presque tous les
filtres actifs qui sont sur le marché sont composés d’onduleurs de tension [03].
Ainsi, le choix le plus commun dans la plupart des applications consiste à utiliser un filtre actif
triphasé à trois bras basé sur un onduleur de tension sans neutre raccordé. Ceci c’est notre projet.
I.11. Conclusion
Dans ce chapitre nous avons présenté les différents types des perturbations affectant la qualité de
l’énergie électrique, leurs effets sur les équipements du réseau, les conséquences engendrés et les
normes imposées qui fixent les limites de fonctionnement des appareils faisant partie du réseau
électrique.
55
Chapitre. I.
Perturbations harmoniques des réseaux électriques
Les mesures effectuées ces dernières années montrent que la pollution harmonique s’accroît
régulièrement sur l’ensemble des réseaux. Comme nous avons pu le constater dans ce premier
chapitre, les courants harmoniques ont des effets néfastes sur les équipements électriques. Ces effets
peuvent aller de l’échauffement et de la dégradation du fonctionnement jusqu’à la destruction totale
de ces équipements.
Face à cela et afin de minimiser les effets des perturbations dûes aux harmoniques des normes et
réglementations imposent aux utilisateurs, tertiaires et domestiques de limiter la prolifération des
harmoniques dans le réseau électrique. Des solutions de compensation ont été présentées, nous
avons optés pour la compensation actif et ce grâce aux progrès réalisés dans le domaine de
l’électronique de puissance, ces solutions peu encombrantes n’occasionnent aucune résonance avec
les éléments passifs du réseau et font preuve d’une grande flexibilité face à l’évolution du réseau
électrique et de la charge polluante.
Nous avons présenté les différentes structures de filtrage actif, série, parallèle, universel, hybride,
ces structures sont étudiées pour la compensation de tous les types de perturbation susceptible
d’apparaître dans un réseau électrique basse tension et ont pour but de générer soit des courants,
soit des tensions harmoniques de manière à ce que le courant et la tension du réseau redeviennent
sinusoïdaux et nous avons noté les avantages de la structure shunt pour la dépollution des
harmoniques de courant en raison de ses bonnes performances en compensation et de sa faisabilité
expérimentale.
C’est ainsi que dans l’objectif d’améliorer la qualité de l’énergie électrique qui doit être conforme
aux nouvelles contraintes normatives, nous étudierons, dans les chapitres suivants, l’étude
théoriques, le dimensionnement et la faisabilité expérimentale : application de la structure de
filtres actifs parallèle sur un réseau basse tension.
56
Chapitre.II. Identification des courants
harmoniques et commande du filtre actif
Chapitre II.
Identification des courants harmoniques et commande du filtre actif
Chapitre II. Identification des courants harmoniques et commande du filtre actif
II.1. Introduction
Nous avons vu dans le premier chapitre les différentes perturbations harmoniques susceptibles de
nuire au bon fonctionnement des systèmes électriques, ainsi que les solutions appropriées pour la
dépollution notamment le filtrage actif.
Dans ce chapitre nous entamerons l’étude d’une solution de compensation harmonique qui est le
filtre actif parallèle basé sur un onduleur de tension à trois bras.
L’objectif du chapitre est d’étudier la structure et le fonctionnement du filtre actif parallèle (FAP).
Dans un premier lieu nous présenterons une partie importante du contrôle qui est les techniques
d’identifications des courants de références (perturbations).
Dans un deuxième lieu ou nous ferons également le point sur quelques aspects liés au
dimensionnement des éléments du FAP : le circuit de stockage d’energie, la tension du bus continu
et le filtre de sortie.
Dans un troisième lieu nous ferons également le point sur le contrôle des courants injectés par le
FAP et le contrôle de la tension du bus continu du FAP.
II.2. Structure du filtre actif parallèle
Le filtre actif parallèle en général est formé de deux parties essentielles une parie puissance et une
partie contrôle commande, figure II.1.
La partie puissance est constituée :
-
Onduleur de tension à base d’interrupteurs de puissance bi- commandables avec des diodes
en antiparallèle.
-
Circuit de stockage d´énergie.
-
filtre de sortie de nature inductive.
La partie contrôle-commande elle est constituée :
-
D’un bloc d’identification des perturbations des courants harmoniques
-
Un bloc de contrôle des courants injectés du FAP
-
Un bloc pour la régulation de la tension du bus continu de l’onduleur
57
Chapitre II.
Identification des courants harmoniques et commande du filtre actif
FIG.II.1.Structure générale d’un FAP
Nous présentons dans ce chapitre un filtre actif parallèle à structure de tension constitué d’un
onduleur triphasé à trois bras.
II.2. 1.L’onduleur de tension
II.2. 1.1.Description de l’onduleur
L'onduleur est la partie essentielle du filtre actif. Dépendamment du type de filtre de couplage le
reliant au réseau ainsi que de l'élément passif qui lui sert de source d'énergie, il s'agira d'un onduleur
de tension ou de courant. L'onduleur peut être commandé en tension ou en courant et peut donc se
comporter comme une source de tension ou de courant vis-à-vis du circuit extérieur [08].
La figure II.2 présente le filtre actif constitué d’un onduleur triphasé à structure de tension,
l’onduleur de tension est connecté en parallèle sur le réseau via un filtre de sortie, la capacité C se
comporte comme une source de tension continue.
Cet onduleur est un convertisseur statique d’´energie qui transforme l’´energie d’une source
continue en énergie alternative.
58
Chapitre II.
Identification des courants harmoniques et commande du filtre actif
FIG.II.2. FAP à structure de tension
II.2.1.2. Fonctionnement de l’onduleur de tension
Six interrupteurs bidirectionnels en courant et unidirectionnels en tension commutent de manière à
imposer des tensions simples alternatives ( , , ) en sortie de l’onduleur.
Les interrupteurs supposés idéaux, sont toujours constitués d’un semi-conducteur commandable à
l’ouverture et à la fermeture (GTO, MOSFET, IGBT) connecté en anti-parallèle avec une diode
(figure II.3) [03].
FIG.II.3.Interrupteurs de puissance
Au cour de son fonctionnement, le convertisseur statique relie, par l’intermédiaire de ses
interrupteurs, une source de tension et une source de courant entre lesquelles il assure et contrôle
l’échange d’énergie. Pour que cette liaison puisse se faire il faut respecter deux règles essentielles :
- Une source de tension ne doit jamais être court-circuitée mais elle peut être ouverte. En d’autres
termes, deux interrupteurs d’un même bras ne peuvent être fermés simultanément.
- Une source de courant ne doit jamais être ouverte. Cette mise en garde impose la présence de la
diode antiparallèle [03].
59
Chapitre II.
Identification des courants harmoniques et commande du filtre actif
II.2.1.3. Type de semi-conducteurs utilisés
Les semi-conducteurs utilisés par l'onduleur sont caractérisés par leur aptitude à supporter une
tension et un courant maximal. Le dimensionnement de ces grandeurs dépend des circuits des deux
côtés de l'onduleur (continu et alternatif), car ces derniers imposent les tensions et les courants des
interrupteurs [30].
L'onduleur de tension utilise des semi-conducteurs réversibles en courant et unipolaires en tension.
La tension que doit supporter les semi-conducteurs composant l'onduleur de tension est limitée par
la valeur ce de la tension du bus continue de l’onduleur. Le courant qu'il doit supporter est
imposé par l’intensité du courant maximal généré par le filtre actif. Ils doivent être capables de
supporter la valeur maximale du courant harmonique à compenser tout en tenant compte des
courants harmoniques dûs aux découpages. Le semi-conducteur le plus approprié dans la
conception de l'onduleur est le transistor IGBT avec une diode antiparallèle. Il est à noter que les
thyristors classiques avec le circuit auxiliaire d'extinction ne sont plus très utilisés, on leur préfère
ceux que l'on peut commander en ouverture et en fermeture comme les MOSFET, les IGBT et les
GTO. Dépendamment de l'utilisation requise, le MOSFET est utilisé pour les faibles puissances, le
transistor bipolaire ou IGBT pour les courants moyens et le thyristor GTO pour les grandes
puissances [08].
Nous utilisons dans ce mémoire un onduleur constitué par des interrupteurs en IGBT.
II.2.1.4. Modélisation de l’onduleur de tension
Les deux semi-conducteurs d’un même bras sont commandés de façon complémentaire, la
conduction de l’un implique alors que l’autre soit bloqué. L’ouverture et la fermeture des
interrupteurs de l’onduleur de la figure II.4 dépendent de l’état des signaux de commande
, , comme défini ci-dessous [31].
FIG.II.4. Onduleur à structure de tension
60
Chapitre II.
Identification des courants harmoniques et commande du filtre actif
1 ferméet ouvert
0 ouvertet fermé
(II.1)
= 1 ferméet ouvert
0 ouvertet fermé
(II.2)
= 1 ferméet ouvert
0 ouvertet fermé
(II.3)
= Les tensions de ligne, imposées par l’onduleur, sont alors définies par :
− − −
= − ∗ − − (II.4)
Les tensions de sortie de l’onduleur, notées " avec (k = {1, 2, 3}), sont référencées par rapport au
neutre du réseau et vérifient les équations suivantes :
" = #" + % ∗
&'()
&*
+ + ∗ ,"
(II.5)
Les tensions du réseau étant supposées équilibrées et sachant que la somme des courants injectés
par l’onduleur est nulle, on peut écrire :
# + # + # = 0
, +, +, =0
(II.6)
+ + = 0
(II.7)
Nous pouvons donc déduire des équations (II.5) et (II.6) la relation suivante :
A partir des équations (II.4) et (II.7), nous obtenons :
2
= −
−
−
2
−
−
.
− ∗ /
−2
(II.8)
Puisque les grandeurs , , peuvent prendre chacune deux valeurs (0 ou 1), il en résulte huit
commandes possibles, présentées dans le tableau II-1. Dans ce tableau, est la représentation
vectorielle des tensions fournies par l’onduleur ( , , ) dans le repère orthogonal 01. La
figure II.5 représente ce vecteur dans le repère 01. Les commutations imposent le passage du
vecteur d’une position à l’autre. 23 représente le vecteur de la tension de référence que doit
produire l’onduleur afin de générer en opposition de phase les courants harmoniques absorbés par la
61
Chapitre II.
Identification des courants harmoniques et commande du filtre actif
charge polluante. L’onduleur n’est capable de fournir des tensions égales aux tensions de référence
que si le vecteur formé par ces dernières reste à l’intérieur de l’hexagone tracé à la figure II.5. Les
tensions fournies par l’onduleur génèrent selon l'équation (II.5) les courants de sortie du FAP [31].
m
0
0
0
0
1
1
0
0
2
0
1
0
3
1
1
0
4
0
0
1
5
1
0
1
6
0
1
1
7
1
1
1
0
2:
3
0
−:
3
0
2:
3
:
3
−:
3
−2:
3
0
;2:3 ∗ ;2:3 ∗ 3
2:
3
;2:3 ∗ 3
:
3
;2:3 ∗ 3
−2:
3
:
3
0
4( 5
−:
3
−2:
3
:
3
0
−:
3
:
3
−:
3
:
3
0
−:
3
6778
=>
<∗
?
;2:3 ∗ 3
>
<∗
?
@=>
<∗
?
;2:3 ∗ 3
@>
<∗
?
@<∗>
0
Tableau. II.1. Tensions générées par l'onduleur de tension à trois bras.
FIG.II.5. Représentation vectorielle des tensions générées par l’onduleur de tension à trois bras
62
Chapitre II.
Identification des courants harmoniques et commande du filtre actif
II.2.2.Circuit de stockage d´énergie
La sélection de l'élément de stockage (C ou L) servant de source d'alimentation de l'onduleur en
tension ou en courant est fait en fonction que le filtre actif soit capable de suivre sa référence.
Dans le cas du filtre actif à structure de tension, dans les applications de compensation
d’harmoniques, une tension élevée améliore la dynamique du filtre actif, par ailleurs, le critère
commun pour le choix de la capacité A du bus continue de l’onduleur est en générale la limitation
des ondulations de la tension continue [05], qui sont causées par les courants engendrés par le filtre
actif et qui peuvent dégrader la qualité de compensation , Ces ondulations sont d’autant plus élevées
que les harmoniques à compenser sont de basses fréquences et d’amplitudes importantes ou la
capacité est faible.
Un dimensionnement adéquat de la capacité peut être établi à partir d’un courant type que doit
générer le filtre actif [33], ceci n’est pas toujours facile à réaliser car on ne connait pas souvent tous
les harmoniques qu’on doit compenser, ainsi une méthode plus simple pour le dimensionnement
consiste à calculer la capacité à partir du courant harmonique du rang le plus faible BC [05].
D
A = ∈∗. E∗G
/
(II.9)
E
: Tension du bus continue de l’onduleur
∈ : Taux d’ondulation admissible généralement 5% de et HC la pulsation du rang h.
Les approches
de [37, 49] considère la fréquence de commutation au niveau de la capacité
d’expression :
A=
∗D(IJK
(II.10)
∈∗L∗GM
B5NO : Courant maximal injecté du FAP
P# : Étant la fréquence de commutation avec ω# = 2 ∗ R ∗ P#
Une autre approche exposée dans la référence [40], détermine la valeur de la capacité comme suit :
S
A = ∗. T∗∈∗G
(II.11)
/
P : Étant la fréquence du réseau ω = 2 ∗ R ∗ P
U : Puissance de la charge
63
Chapitre II.
Identification des courants harmoniques et commande du filtre actif
II.2.3.Filtre de sortie
Il y a deux types de filtre de raccordement fortement répondus dans la littérature, un filtre L de
premier ordre et filtre LCL de troisième ordre. Pour le dimensionnement d’un tel filtre on est
souvent amène à faire un compromis entre trois critères essentiels à satisfaire [34]:
1. Assurer la dynamique du courant.
2. Empêcher les harmoniques de commutation de se propager du coté réseau.
3. Causer le minimum de chute de tension à ses bornes.
II.2.3.1.Filtre du premier ordre
Ce type de filtre est le plus utilisé dans la littérature. Il est composé d’une inductance % de
résistance interne + , comme le montre la figure.II.4. Un filtre de ce type ne permet pas de satisfaire
simultanément les critères de dimensionnement du filtre de sortie. En effet, seule une valeur
relativement faible de % peut réaliser une bonne dynamique du filtre actif et minimise la chute de
tension. Malheureusement, une valeur faible de % permet à la majorité des composantes dûes aux
commutations de se retrouver côté réseau et par conséquent d’affecter les installations et les
équipements électriques. Inversement, une valeur relativement élevée de % va empêcher ces
composantes de se propager sur le réseau électrique mais affectera la dynamique du filtre actif et
augmente la chute de tension au borne du filtre et dégradera alors la qualité de compensation. Le
bon dimensionnement du filtre de sortie du premier ordre dépendra donc du compromis à trouver
entre la dynamique et l’efficacité du filtre actif parallèle. Ce compromis est très difficile à fixer sans
l’emploi d’un filtre passif auxiliaire installé à la sortie de l’onduleur ou en amont du côté réseau.
Cependant, ce filtre auxiliaire peut causer des effets secondaires non désirés comme la résonance
avec d’autres éléments passifs installés sur le réseau électrique. Il occasionne également une
consommation de puissance active par sa résistance d’amortissement. De plus, la qualité de filtrage
de ces filtres auxiliaires se dégrade avec le temps à cause du vieillissement de leurs éléments passifs
[05].
II.2.3.2.Filtre du troisième ordre
Ce filtre de sortie, souvent appelé filtre en T, se compose de deux inductances (% , % ) de
résistances internes respectives (+ , +) et d’une capacité A , une petite résistance
d’amortissement + a été ajoutée en série avec la capacité A comme le montre la figure II.6.
64
Chapitre II.
Identification des courants harmoniques et commande du filtre actif
Ce type de filtre et grâce au degré de liberté supplémentaire, fourni par la capacité A , peut assurer
les deux critères du dimensionnement du filtre de sortie que nous avons évoqués précédemment
[05].
Rs
If
Ls
Rf2
Rf1
Lf2
Lf1
Cf
Vf
Vs
es
Rf
Onduleur de
tension
FIG.II.6.Schéma équivalent par phase du filtre de sortie du troisième ordre en T
Dans ce mémoire et pour des raisons de simplification nous utiliseront un filtre de premier ordre
entre l'onduleur et le réseau électrique, ce filtre est réalisé par une simple inductance de grande
valeur.
II.3. Partie commande
La partie commande se divise généralement en deux parties. La première, qui est d'une grande
importance pour les performances du filtre, est la génération des signaux harmoniques de référence.
La seconde est la génération des signaux de contrôle servant à l'ouverture et à la fermeture des
semi-conducteurs. Ces deux parties sont cruciales au niveau de la performance du filtre actif. Il est à
noter que la partie commande peut être réalisée à l'aide de composantes analogiques, numériques
telles que les micro-ordinateurs par les DSP et FPGA et les micros contrôleurs par les dsPIC.
II.3.1. Génération des signaux de référence
La qualité de la compensation des harmoniques de courant dépend fortement des performances de la
méthode d’identification choisie. En effet, un système de commande, même très efficace, ne pourra
pas à lui seul effectuer un filtrage satisfaisant si les courants harmoniques sont mal identifiés. Pour
cette raison, de nombreuses méthodes d’identification ont été développées dans la littérature, ces
méthodes se classifient dans deux groupes selon le domaine temporel ou fréquentiel.
65
Chapitre II.
Identification des courants harmoniques et commande du filtre actif
II.3.1.1. Méthodes du domaine fréquentiel
Ils utilisent l’algorithme de transformée de Fourier rapide dans le domaine fréquentiel, pour
extraire les harmoniques du courant. Cette méthode est bien adaptée aux charges où le contenu
harmonique varie lentement. Elle donne aussi l’avantage de sélectionner les harmoniques
individuellement et de ne choisir de compenser que les plus prépondérants. Il est à noter que cette
méthode nécessite une grande puissance de calcul afin de réaliser en temps réel toutes les
transformations nécessaires pour extraire les harmoniques [05].
II.3.1.2. Méthodes du domaine temporel
Les méthodes du domaine temporel permettent une réponse plus rapide et requièrent moins
d’opérations que les méthodes précédentes. Le principe de ce type de méthodes est la séparation du
fondamental ou de certains harmoniques du reste des harmoniques par filtrage. Les méthodes les
plus importantes sont:
• La théorie P-Q de la puissance instantanée [32].
• Algorithme du repère de référence synchronisé (SRF) [35].
La méthode de la théorie (P-Q) a l’avantage d’être assez simple pour la mettre en application sous
forme analogique puisqu’elle a besoin seulement des opérations de multiplication et de filtrage
simple [03].
L’inconvénient le plus évident de la méthode (P-Q) est qu’elle s’exécute mal dans des conditions
non équilibrées de tension d’alimentation, parce que l’algorithme suppose que les tensions
d’alimentation sont sinusoïdales et équilibrées.
Un avantage de la méthode SRF est qu’elle s’exécute bien avec n’importe qu’elle forme d’onde de
la tension. Un inconvénient est que l’algorithme est assez complexe et exige un circuit PLL pour
fonctionner correctement [03].
II.3.1.3. Algorithme du filtre coupe-bande (filtre de notch)
C’est le plus simple des algorithmes de calcul des courants de référence, comme l’illustre le
diagramme représenté figure. II.7. Proposé en 1992 par C. A. Quinn & N. Mohan [36].
Cet algorithme est destiné à la fois à générer les courants de consigne d’un système à quatre (04)
fils (muni du fil du neutre) et à réguler la tension continue du filtre actif. L’opération est très aisée:
il suffit de faire passer chacun des courants triphasés BCWNX de charge par un filtre coupe bande
réglé sur la fréquence fondamentale à éliminer. En sortie, on obtient les courants harmoniques de
référence BCWNXU de chaque fil y compris le conducteur neutre, étant la somme négative des
références des trois phases. Ensuite, les tensions de source YNUWXUWU vont intervenir afin de fournir
66
Chapitre II.
Identification des courants harmoniques et commande du filtre actif
seulement la composante fondamentale des courants BZWNX nécessaire à la charge. Ainsi, le courant
du neutre se trouvera démuni de composantes harmoniques. Idéalement, le filtre actif n’est sensé
fournir que de la puissance réactive. La valeur moyenne du courant du côté continu est donc nulle.
Cependant, les pertes dans un filtre actif non idéal peuvent engendrer la décharge de l’élément de
stockage d’énergie. Ceci peut être évité en ajoutant aux courants de référence calculés, des
composantes fondamentales BZWNX dont l’amplitude peut être déterminée en comparant la valeur
actuelle de la tension par la valeur désirée désirée (figure. II.7) [37].
La fonction de transfert permettant la réalisation du filtre notch est la suivante [08]:
[\]^_`a =
#= bG/=
c
#= b#∗ / bG/=
d
(II.12)
Les paramètres «H » et « Q » sont respectivement la pulsation de coupure et le facteur de qualité.
FIG. II.7. Génération des courants de référence harmoniques par l’algorithme du filtre coupe-bande.
Cette méthode possède les quelques caractéristiques suivantes [08]:
-
Elle s'applique sans problème aux systèmes monophasé, biphasé ou triphasé, équilibré ou
non.
-
Possède un bon temps de réponse lors de régime transitoire.
-
Le nombre d'harmoniques compensé dépend de la bande passante des semi-conducteurs
composant l'onduleur du filtre actif.
-
Méthode de calcul simple.
-
Découplage moins net entre le fondamental et les harmoniques. Risque d'atténuation des
harmoniques de compensation du filtre actif
67
Chapitre II.
Identification des courants harmoniques et commande du filtre actif
II.3.1.4. Filtre passe-bas
II.3.1.4.1.Description du filtre passe-bas
Un filtre est un dispositif qui laisse passer certaines composantes sinusoïdales et en arrêtent d'autres
Le filtre passe-bas est un dispositif caractérisé par une réponse en fréquence relativement constante
(gain fixe) aux basses fréquences et un gain décroissant aux fréquences supérieures à la fréquence
de coupure. La décroissance plus ou moins rapide dépend de l’ordre du filtre. Idéalement, le filtre
passe-bas aurait un gain unitaire (ou fixe) aux basses fréquences et un gain nul aux fréquences
supérieures à la coupure «P » [39].
FIG.II.8.Gain du filtre passe bas
Un filtre passe bas laisse passer les basses fréquences et arrête les fréquences élevées. Les figures
II.8, II.9 et II.10
montrent
les réponses d'un filtre passe bas idéal. La bande passante est
l'intervalle de fréquence [0, P ]. La bande coupée est constituée de toutes les fréquences supérieures
à P .Toute onde sinusoïdale à l'entrée du filtre et dont la fréquence se situe dans la bande passante
apparaîtra à la sortie du filtre. Mais toute onde sinusoïdale dont la fréquence est supérieure à P est
complètement atténuée par le filtre [39].
FIG.II.9. Forme d’onde des signaux d’entré et de sortie du filtre passe bas
68
Chapitre II.
Identification des courants harmoniques et commande du filtre actif
On utilise les filtres passe-bas pour réduire l’amplitude des composantes de fréquences supérieures
à la celle de la coupure.
FIG.II.10. Spectres des signaux d'entrée et de sorties d'un filtre passe-bas
II.3.1.4.2.Ordre du filtre passe bas
En pratique, il est impossible d’obtenir une caractéristique aussi parfaite que celle illustrée
précédemment. En effet, on ne peut que se rapprocher de celle-ci en augmentant l’ordre du filtre. Ce
dernier correspond aux nombres d’étages d’éléments réactifs dont l’impédance varie avec la
fréquence.
On distingue l’ordre du filtre par la pente de réponse en fréquence aux fréquences supérieures à la
coupure. Cette pente est de « n fois-20db/décade » où « n » représente l’ordre du filtre (figure.
II.11) [39].
FIG.II.11.Ordres de filtre passe-bas
69
Chapitre II.
Identification des courants harmoniques et commande du filtre actif
Dans ce mémoire nous réalisons un système d’identification plus simple comme le système
d’identification du filtre de notch, au lieu de faire un filtre coupe bande en utilisent des filtres passe
bas pour extraire le courant fondamental BC puis en utilise la soustraction du courant de charge
BC par rapport courant du fondamental BC on obtiendra le courant harmonique BC dit courant de
référence harmonique [38] (figure. II.12).
Cette méthode d’identification
détermine les harmoniques
engendrée par la charge polluée,
laquelle l’identification servira à générer les références nécessaires aux régulateurs pour
commander le filtre actif parallèle.
FIG.II.12. Schéma représentant le principe d'extraction des courants de références harmoniques par
un filtre passe bas
II.3.2. Génération des signaux de commande
L’objectif de la commande en courant du filtre actif, est de générer les ordres de fermeture et
d’ouverture des interrupteurs, de sorte que les courants de sortie suivent le plus fidèlement possible
les consignes en module et en phase. Il y a deux techniques principales de commande en courant de
l’onduleur de tension [15] ; la commande par hystérésis (dite aussi à structure variable) et
commande par modulation de largeur d’impulsion ou MLI (à fréquence fixe).
II.3.2.1. Commande par hystérésis
Ce type de contrôle non linéaire utilise le signal d’erreur entre le courant de référence et le courant
produit par l’onduleur. L’erreur est comparée à un gabarit appelé bande d’hystérésis eC ). Dès que
l’erreur atteint la bande inférieure ou supérieure, un nouvel ordre de commande est envoyé aux
semi-conducteurs de manière à maintenir le courant réel à l’intérieur de la bande (figure. II.13) [31].
70
Chapitre II.
Identification des courants harmoniques et commande du filtre actif
FIG.II.13.Principe de la commande par hystérésis
Cette technique présente d’excellentes qualités comme sa simplicité et sa facilite de mise en œuvre
(elle ne nécessite pas une connaissance exhaustive du système à contrôler), une bonne stabilité, très
bonne réponse, une robustesse inégalée et une bande passante très large [41].
Malgré sa simplicité de mise en œuvre, sa robustesse et sa bonne dynamique, cette commande
présente certains inconvénients à savoir [03]:
• La fréquence de commutation n’est pas fixe, elle dépend de la bande d’hystérésis et de la dérivée
de courant.
• La commande est appliquée séparément sur les trois phases. Or la structure électrotechnique
impose à chaque instant que la somme des trois courants soit nulle. Le résultat obtenu sur un
courant n’est donc pas indépendant des deux autres phases. Ainsi le courant asservi ne pourra en
pas respecter les limites imposées par la bande de l’hystérésis.
• Des composantes harmoniques basses fréquences, voire une composante continue, peuvent
apparaître sur le signal de sortie. La composante continue est dû au fait que la forme de l’alternance
positive peut différer de celle de l’alternance négative, au signe près.
II.3.2.2. Commande MLI
Ce type de contrôle de courant peut être réalisé selon différentes techniques, à savoir : MLI à
porteuse, MLI à élimination (ou minimisation) d’harmoniques et MLI vectorielle. Le contrôle par
MLI à porteuse peut être à MLI naturelle, à MLI régulière symétrique, à MLI régulière asymétrique
ou à MLI aléatoire. La MLI naturelle, dite MLI intersective est une méthode simple et fréquemment
utilisée. Elle consiste à comparer, à chaque instant, le courant de référence avec un signal
triangulaire appelé porteuse. La fréquence de ce signal doit être élevée devant celle de la référence
et son amplitude supérieure à celle de la référence. Chaque intersection entre ces deux signaux
donne lieu à une commutation (figure. II.14) [31].
71
Chapitre II.
Identification des courants harmoniques et commande du filtre actif
FIG.II.14.Principe de la commande par MLI
Le contrôle par MLI est d’une complexité réduite, il garantit un fonctionnement à fréquence fixe et
conduit à un contenu harmonique parfaitement identifié. Cependant, cette technique a des propriétés
dynamiques qui peuvent être limitatives et la réponse du système lors d’un changement brutal des
courants de référence est plus lente que celle d’une commande par hystérésis [42].
Si la fréquence de la porteuse est un multiple de la fréquence modulante, on dit que la MLI est
synchrone. Dans ce cas, le spectre de la tension de sortie des tensions fournis par l’onduleur
possède des raies aux fréquences multiples de la fréquence modulante et le fondamental de est à
la fréquence modulante. Par ailleurs, lorsque la fréquence de la porteuse n’est pas multiple de la
fréquence modulante, la MLI est dite asynchrone. Dans ce cas, des sous-harmoniques apparaissent
sur la tension du réseau [06].
Malgré sa légère complexité par rapport à la commande par hystérésis, la commande MLI est la
mieux adaptée dans les applications ou on a besoins de travailler à des fréquences fixes.
Dans ce mémoire nous utiliseront la commande MLI naturel, cette technique de commande exige
l’utilisation d’un régulateur comme présenté dans la figure II.14.
II.3.2.3. Rapport cyclique des interrupteurs
La commande par MLI consiste à découper la tension de sortie générée par le convertisseur en une
série de motifs élémentaires de période très faible et de rapport cyclique variable dans le temps.
L’évolution temporelle du rapport cyclique de chaque interrupteur est alors déterminée par un
signal modulant (référence) que l’on choisit en général sinusoïdal. Les ordres de commande de
chaque cellule sont générés par l’intersection entre une porteuse triangulaire et le signal modulant.
Selon la stratégie adoptée, ce dernier peut être échantillonné en synchronisme avec la porteuse
triangulaire, ou comparé directement à celle-ci. Chaque interrupteur commute à une fréquence
imposée par celle de la porteuse, comme indiqué sur la figure II.15 [43].
72
Chapitre II.
Identification des courants harmoniques et commande du filtre actif
FIG.II.15.Commande des interrupteurs par MLI
g
f = g hT =
ijk
lmn(
(II.13)
(II.14)
lo
f5NO = + ∗ f
d: rapport cyclique des interrupteurs il est aussi appelé coefficient de réglage (rapport des
amplitudes de la référence et de la porteuse). Généralement, (d) est compris entre 0 et 1 (l’amplitude
de la référence reste inférieure à celle de la porteuse).
f5NO : Rapport cyclique maximum des interrupteurs compris entre 0 et 1
II.4. Dimensionnement et régulation du filtre actif parallèle
II.4.1.Calcul de la tension pq du bus continue de l’onduleur
Dans le cas d’un onduleur triphasé, les valeurs des tensions Y fournis par l’onduleur sont égales à
0, 1/3 ,
2/3 . On désigne par Y5NO la valeur crête maximale de la tension simple délivrée par
l’onduleur, et par Y5NO la tension crête du réseau, [44]. On suppose que Y est égale à 1/3 ,
dans ce cas la tension Y5NO peut s’écrire [22] :
Y5NO =
./
2f5NO − 1
(II.15)
73
Chapitre II.
Identification des courants harmoniques et commande du filtre actif
: Tension du bus continue de l’onduleur (ou bornes du condensateur de stockage).
En négligeant la résistance de l’inductance de liaison Lf , l’équation reliant la tension Y#5NO et la
tension de raccordement Y5NO est donnée par [44] :
rs5NO = t% H ∗ Bs5NO + Y
rs#5NO
Y
(II.16)
B5NO : Courant maximal de compensation (courant maximal injecté du FAP).
% : Inductance du filtre de sortie
Pour déterminer la valeur maximale de la tension Y5NO fournie par le filtre permettant de relier
tous les points de fonctionnement, il convient de choisir un courant B5NO qui maximise Y5NO , un
tel point de fonctionnement est obtenu lorsque B5NO est en quadrature avec Y#5NO , soit [45] :
Y5NO = % H ∗ B5NO + Y#5NO
(II.17)
Une contrainte supplémentaire à introduire porte sur l’ondulation relative du courant injecté du FAP
exprimer par [01] et [45]:
u=
∆D(IJK
D(IJK
=
./
(II.18)
D(IJK w( M
A : Ondulation relatif du courant injecté du FAP
P# : Fréquence de commutation de l’onduleur
En remplaçant les équations (II.15) et (II.18) dans l’équation (II.17), on obtient :
=
∗lMIJK
∗&IJK WW
>∗(
=∗y∗(M
(II.19)
II.4.2. Dimensionnement du filtre de sortie (z{ ) du FAP
Le filtre de sortie est un filtre passif utilisé pour connecter l’onduleur de tension au réseau
électrique. Le filtre de sortie est dimensionné pour satisfaire les deux critères suivants [05] et [33] :
Assurer la dynamique du courant
sC = & Bs
B
&*
&*
&
(II.20)
Avec BC le courant harmonique de la charge et B le courant injecté du FAP.
74
Chapitre II.
Identification des courants harmoniques et commande du filtre actif
Empêcher les composantes dûes aux commutations de se propager sur le réseau
électrique
En générale, pour une bonne dynamique du courant, la valeur de l’inductance % doit être faible.
Cependant, ceci engendre des ondulations importantes dans le courant injecté du FAP et des
harmoniques de commutation seront propages sur le réseau surtout lorsque la fréquence de
commutation est relativement faible. Par ailleurs, une inductance % elevee permet de limiter ces
ondulations, mais ceci peut engendrer des chutes de tension importantes et réduit la dynamique du
courant. Donc pour le choix de l’inductance % , il faut choisir une valeur limite minimale qui
assure une ondulation maximale admissible et une valeur limite maximale qui assure une chute de
tension admissible [33].
A la sortie du filtre actif, et en vue d’absorber les harmoniques hautes fréquences dues aux
commutations de l’onduleur, on insère un filtre passif % . Le dimensionnement de % est réalisé en
fonction de la fréquence de commutation P# de la MLI, le rapport cycliques max des interrupteurs
f5NO , le taux d ’ondulation A du courant injecté par le FAP et la tension Y#5NO du réseau, équation
(II.21).
Afin de déterminer la valeur Inductance du filtre de sortie % , en remplaçant l’équation de U`
(II.19) dans l’équation (II.18), on obtient :
% = D
lMIJK
(II.21)
(IJK ∗}
∗&IJK W∗Z∗M WL∗~
Le choix des paramètres A , P# et f5NO permet de déterminer et % [44].
Dans l’application de filtrage actif, le filtre de sortie % est généralement dimensionné pour limiter
l’ondulation du courant injecté au réseau, il est nécessaire de vérifier que la valeur de l’inductance
choisie permet la génération de tous les courants harmoniques spécifiés par le cahier des charges
[33], et que le constant du temps (% /+ ), (+ la résistance interne de l’inductance % ), soit très
grand que la période de l’onde d’échantillonnage de la commande MLI : \# = pour que le courant
M
injecté au réseau par le filtre suivre sa consigne [46].
On peut calculer la valeur de la résistance interne + de la bobine à partir de la relation du facteur
de qualité de la bobine (équation II.22), ce facteur doit être choisi de façons qu’il permette de
limiter l’amplitude du pique de la tension appliquée au point de raccordement du filtre avec le
réseau [33], [40].
€=
∗L∗w∗M
(II.22)

75
Chapitre II.
Identification des courants harmoniques et commande du filtre actif
II.4.3. Fonctions de transfert des éléments du FAP
II.4.3.1.Fonction de transfert de la MLI
La commande MLI à pou but d’enclencher et déclencher les interrupteurs de l’onduleurs plusieurs
fois pendant une demi-période du signal de référence Y23 ‚, On obtient ceci en appliquant le
principe de la modulation de la largeur d’impulsions MLI. La figure. II.16 illustre ce principe [46].
FIG. II.16. Principe de la commande MLI
Le comparateur analogique détermine l’état des interrupteurs, en comparant l’onde porteuse Yƒ (t) et
le signale de référence appelé aussi la modulatrice Y23 ‚.La figure II.16 montre les états logiques
de chaque interrupteur et la tension de sortie de l’onduleur. Pour un onduleur, comme il y a trois
branches à commander, il y a trois signaux de commande et on obtient trois signaux logiques.
Il est intéressant de relier le signale Y23 ‚, à la commande MLI on obtient [46]:
lmn(
&g#
=
l…
g#
⇔ f = Y23 /Yƒ
(II.23)
II.4.3.1.1.Comportement dynamique de la commande MLI
La figure II.17, représente le retard inhérent à la commande MLI lors d’une variation du signal de
référence Y23 ‚[46].
76
Chapitre II.
Identification des courants harmoniques et commande du filtre actif
FIG. II.17.Retard introduit par la commande MLI
Il est possible de calculer ce retard moyen [46], par l’approximation de padé et on trouve :
\2 =
gM
(II.24)
Ce retard \2 est en relation avec le signal de réference Y23 . Ceci étant un retard pur il peut être
traduit dans le domaine de Laplace par: ‡ W#gm Cette formulation complique la synthèse des circuits de réglage et comme \2 est normalement
relativement petit. On peut approximer cette équation par le premier terme de son développement
en série de Taylor.
‡ W#gm = 3 Mˆm =
‰
‰
b#gm b #gm = b #gm ?
=!
?!
≅ b#g
(II.25)
m
On peut écrire l’exponentiel ‡ W#gm comme un produit de deux fonctions exponentiels
‡ W#gm / . ‡ W#gm /
La transformation de cette grandeur en série de Taylor nous donne :
‡ W#gm / . ‡
MMˆ
W m
=
=
Mˆm :
b =
WMˆ=m
=
bMˆŒm

M
WMˆ
Œ
=
Mˆ
W ΠM
Mˆ
b ΠM
(II.26)
Supposons Y23 (s) et d
s les fonctions de transfert de Y23 ‚etd
t, respectivement. Où Y23 (s)
est l’entrée et d
sla sortie.
À partir des équations (II.23) et (II.26), on peut tirer la fonction de transfert de la MLI:
lmn( #
&
#
=
lmn(
mn(
o
[‘wD ’ = l ∗
…
∗ ‡ W#gm = l ∗ ‡ W#gm
(II.27)
…
Mˆ
W ΠM
Mˆ
b ΠM
(II.28)
77
Chapitre II.
Identification des courants harmoniques et commande du filtre actif
II.4.3.2.Fonction de transfert de l’onduleur
Généralement le convertisseur statique est modelé comme un gain statique constant. Pour évaluer ce
gain, il suffit de calculer la valeur moyenne de la tension Voa
t fournie par l’onduleur à la charge
par apport à la période Ts de l’onde porteuse Yƒ t, (figure II.18) [46].
La valeur moyenne, d’une grandeur quelconque, est calculée par la formule suivant :
– ‚ =
*bg#
—
g# *
˜f˜
(II.29)
Onduleur
S3
S2
Vdc1
C1
S1
L
a
O
L
b
Vao
L
c
R
C2
Vdc2
S4
L
S6
S5
FIG. II.18.Onduleur de tension alimentant un pont redresseur triphasé
Dans notre cas, le bus continu de l’onduleur est constitué de deux condensateurs A et A , la valeur
de la tension délivrée par l’onduleur est calculée comme suit :
Y™šN ‚ =
*bg#
YšN ˜f˜
—
g# *
=
g#
\’. Y›œ . f
‚ − Y›œ 1 − f
‚ž. ‚’ = Y›œ 2f
‚ − 1
(II.30)
Où d
t est le rapport cyclique. On peut donc facilement calculer la variation entre le rapport
–šN .
cyclique d et la variation deY
–hJ
Ÿl
Ÿ&
= 2Y›œ
(II.31)
On a Y›œ = Y›œ =Y›œ et = 2 ∗ Y›œ
(II.32)
[\šU& ’ = (II.33)
Donc la fonction de transfert est donnée par
78
Chapitre II.
Identification des courants harmoniques et commande du filtre actif
Si on prend en considération le comportement dynamique de la commande MLI, la fonction de
transfert de l’onduleur de tension muni à sa commande est donnée par :
’ = ∗
l…
∗
Mˆ
W ΠM
Mˆ
b ΠM
(II.34)
II.4.3.3.Fonction de transfert du filtre de sorite %
En réalité ce filtre est muni de sa résistance interne + , comme la montre la figure II.19.
FIG. II.19.Filtre de raccordement Lf
Le model mathématique du filtre dans le domaine temporelle est donné par l’équation (II.35) [46]:
Y# = + B + %
&D(
&*
+ Y#
(II.35)
Dans le domaine de Laplace l’équation (II.35) se réécrit comme suit :
Y# ’ − Y# ’ = ¢+ + % ’£ ∗ B ’
(II.36)
Si la grandeur asservie est le courant If fourni par le filtre actif, on obtient [16]:
D( #
lM( #WlM #
=
(II.37)
( bw( S
Donc la fonction de transfert du filtre de raccordement % est :
[\ ’=
(II.38)
( bw( S
79
Chapitre II.
Identification des courants harmoniques et commande du filtre actif
II.4.4. Régulation des courants injectés If du FAP
II.4.4.1.Nécessité de réglage des courants injectés If du FAP
La technique de commande par MLI impose une fréquence de commutation fixée et connue. Ainsi,
la répartition spectrale de l’énergie est bien localisée. Le choix du rapport entre la fréquence de la
porteuse et celle de la référence est important dans le cas d’une référence périodique symétrique. En
effet, dans le cas d’une référence sinusoïdale, le rapport des deux fréquences doit être un entier pour
que la porteuse soit synchrone avec la référence. De plus, cet entier doit être de préférence impair
pour garder la symétrie de la référence. Ce rapport doit dans tous les cas être suffisamment élevé
pour assurer la rapidité des commutations, nécessaire à une bonne recopie de la référence [31].
Afin de pouvoir corriger l’erreur entre le courant de référence et le courant fourni par l’onduleur,
une boucle externe de régulation peut être utilisée dans ce type de contrôleur de courant. Dans ce
cas, un régulateur détermine, à partir de la différence entre le courant réel et sa référence, la tension
de référence de l’onduleur (modulatrice). Ensuite, la modulatrice est comparée avec la porteuse et la
sortie du comparateur établit les ordres de commutation des interrupteurs de l’onduleur.
II.4.4.2.Correcteur PI
Le correcteur type proportionnel intégrateur est souvent modélisé par sa fonction de transfert
suivante [46] :
¥
’ = ¦§ +
¨©
(II.39)
S
L’équation (II.39) montre ce correcteur se compose de deux types de correcteurs, un correcteur du
type proportionnel Kp et l’autre du type intégrateur ki/S.
II.4.4.3. Construction de la boucle de contrôle du courant injecté If du FAP
Le système à régler possède un comportement intégral, à premier vue il semble que le régulateur à
action proportionnel P permet de réduire l’erreur statique au minimum,
cependant si une
perturbation affecte le système à régler on est contraint de faire appel à un régulateur PI. Le
régulateur PI est régulé pou permet un ajustement de la marge de phase et contribue à l’amélioration
de
la rapidité de réponse
du système en augmentant la pulsation de coupure ω¯° tout en
maintenant une marge de phase acceptable de 45° à 68° [48].
Si la grandeur asservie est le courant If fourni par le filtre actif, le schéma de contrôle peut être
représenté comme suit dans la figure II.20. [46].
80
Chapitre II.
Identification des courants harmoniques et commande du filtre actif
FIG.II.20.Schéma de contrôle du courant B du FAP
La figure II.20, montre que le courant If dépend des deux grandeurs Vs et BC . Afin d’annuler la
contribution apportée par Y# sur B , on va appliquer une commande V qui sera la somme de Vi et
d’une autre composante (Vs/H) comme le montre la figure II.21 :
Vs
Filtre de sortie
Regulateur PI
Erreur
Ih
+ -
+
V
H
+
-
Vf
+
If
G
FIG.II.21.Annulation de la contribution de Vs sur B
On arrive donc au schéma de régulation suivant figure II.22 :
FIG.II.22.Schéma de régulation du courant If du FAP
81
If
Chapitre II.
Identification des courants harmoniques et commande du filtre actif
Dans ce schéma ci-dessus on intègre le sens du l’effet du retard lors de comportement dynamique
de la commande MLI.
II.4.4.4.Fonction de transfert de la boucle de contrôle du courant injecté du filtre actif
parallèle
En première lieu, on veut de déterminer la fonction de transfert en boucle ouverte du schéma de
régulation de figure II.22. Ce ci est donné par la connexion en cascade de tous les blocks. On trouve
[46] :
¨©
[²³ = ´¦§ + # µ ∗
.¶ ∗·
l…
∗
ˆ
W# M
Œ
ˆ
b# M
Œ
∗
(II.40)
( bw( S
Elle peut être écrite de la façon suivante
[²³ = ´
¨o #b¨©
S
µ∗
.¶ ∗·
l…
∗
ˆ
W# M
Œ
ˆ
b# M
Œ
∗
(II.41)
j(
º
¹(
( ¸b#
¦' : Constante du temps d’intégration du régulateur PI du courant injecté du FAP
¦§ : Gain proportionnel du régulateur PI du courant injecté du FAP
P# : Fréquence de commutation de l’onduleur
\# = » Temps des ordres de commandes de la MLI générés par l’intersection entre la porteuse
M
triangulaire Yƒ ‚ et le signal de référence Y23 ‚.
% : Inductance pour relier l’onduleur au réseau
+ : Résistance de l’inductance %
Yƒ : Amplitude de la porteuse
G : gain du capteur de la chaine de retour
II.4.4.5.Conception d’un correcteur PI de courant
La conception du régulateur PI est typiquement relié aux spécifications concernant la vitesse de
réponse nécessaire de la boucle fermée ou, également, l’erreur maximum de suivre en respectant le
signale de référence. Ces spécifications sont liées à la bande passante et de la marge de phase de la
boucle fermée, donc il faut de déterminer les paramètres ¦ƒ et ¦D afin de garantir une bonne
régulation. Pour la détermination des paramètres ¦ƒ et ¦D de régulateur des courants injectés du
FAP ont a choisie la méthode de la sélection de la fréquence de coupure et de la marge de phase
[46] :
82
Chapitre II.
Identification des courants harmoniques et commande du filtre actif
II.4.4.5.1.Détermination de ¼½ :
Pour rapidement avoir une estimation sur les valeurs recherchées, on suppose qu’on peut
approximer la fonction de transfert en boucle ouverte [²³ à la fréquence de coupure désirée
Hœw = 2RPœw , qui, en principe, sera une bonne approximation tant que ¦D ≪ Hœw ∗ ¦ƒ [46] :
On a S=Hœw
[²³ tHœw ≅ ¦ƒ ∗
.¶ ∗·
l…
∗
ˆ
W¿G¶j M
Œ
ˆ
b¿G¶j M
Œ
∗
( ¸b¿G¶j
(II.42)
j(
º
¹(
Posant maintenant l’amplitude de l’équation (II.42) ; ‖[²³ tHœw ‖ = 1,dans la fréquence de
coupure désirée, on obtient [46] :
w
l…
¦ƒ = .
¶
∗ +# ∗ ;1 + Hœw ( ∗·
(II.43)
(
II.4.4.5.2.Détermination de KI
Le paramètre KI peut donc être calculé considérant la marge de phase de la boucle ouverte et en
supposant qu’elle soit égale à la marge de phase désirée Áℎ5 .On trouve dans l’équation (II.41)
[46] :
−R + Áℎ5 = ‚ÃÄW ´Hœw
¨…
¨k
µ −‚ÃÄW Hœw − ‚ÃÄW ´Hœw M µ
g
w
−‚ÃÄW ´Hœw M µ − ‚ÃÄW ÅHœw ( Æ
g
L
(
w
g
−R + Áℎ5 = − − 2‚ÃÄW ´Hœw M µ − ‚ÃÄW ÅHœw ( Æ + ‚ÃÄW ´Hœw
D’où :
¦D =
G¶j ¨…
Œ
¨…
¨k
µ
(II.45)
(II.46)
j(
>
ˆ
*NUÇW
b§CI b*NU@‰ ´G¶j M µb*NU@‰ ¸G¶j ºÈ
=
(
(II.44)
¹(
On note que l’équation (II.46) est exacte ; seulement la valeur de ¦ƒ est obtenue à travers une
approximation [46].
Ce type de régulateur est simple mais donne des performances limitées. En effet, le choix des deux
gains peut se faire suivant différentes méthodes, mais dépend généralement de la connaissance du
système à commander. Or, on ne dispose pas toujours du modèle du système et encore plus
rarement d’un modèle précis. De plus, en cas de charge variable, il faudrait ajouter une commande
83
Chapitre II.
Identification des courants harmoniques et commande du filtre actif
adaptative complexe. Enfin, avec ce type de régulateur, comme pour toutes les régulations dites
linéaires (PID, RST, etc...), un déphasage existe entre le signal d’entrée et le signal de sortie de la
boucle de régulation (pour une référence sinusoïdale). Ce déphasage augmente avec la fréquence et
génère une erreur de poursuite en régime permanent. Cette erreur peut dégrader la qualité de
compensation du FAP car les courants de référence peuvent contenir des fréquences de tous rangs.
[31].
II.4.5. Régulation de la tension pq du bus continue de l’onduleur
II.4.5.1. Nécessité de réglage de la tension pq du bus continue de l’onduleur
La source d’alimentation du filtre n’est pas une source de tension autonome mais une capacité qui
se charge à travers le redresseur formé par la diode monté en antiparallèle aux bornes des
transistors, cette source est dite source flottante [03].
Si l’onduleur fournit de la puissance active, alors la tension moyenne aux bornes du condensateur
va diminuer et si l’onduleur consomme de la puissance active alors la tension moyenne aux bornes
du condensateur va augmenter comme on peut le voir sur (figure II.23) [47].
FIG.II.23: Evolution de la tension au cours du temps
La tension aux bornes du bus continu de l’onduleur pas constante, à cause de sa sensibilité aux
échanges de puissance active entre la charge polluante et le réseau. En cas de déséquilibre de
puissance entre la charge polluante et le réseau, c’est le filtre actif qui fournira la puissance
nécessaire pour rétablir l’équilibre. Les pertes dans les composantes de puissance font aussi varier
la tension aux bornes de la capacité, d’où la nécessité de réguler cette tension de la maintenir à un
niveau constant [03].
84
Chapitre II.
Identification des courants harmoniques et commande du filtre actif
Les principales causes susceptibles de modifier cette tension sont:
- Les pertes dans le filtre actif
- L’injection des courants fondamentaux pendant les régimes transitoires de la charge polluante
- Les pertes de commutation et par conduction des interrupteurs de puissance
- Les pertes par effet Joule dans les composantes passifs % et A
II.4.5.2. Boucle de contrôle de la tension du bus continu de l’onduleur
En effet, d’une part les courants de référence harmoniques ne contiennent pas de composantes
fondamentales lors du régime permanent, et d’autre part, la puissance nécessaire pour la
compensation des pertes est faible. Le régulateur peut être un filtre passe-bas du premier ordre, dont
la fonction de transfert est donnée par [31] :
+
’ = ¦§ +
¨©
(II.47)
#
En négligeant les pertes par commutation dans l’onduleur ainsi que les pertes dans l’inductance
triphasée % , la relation liant la puissance active absorbée par le filtre actif et la tension aux bornes
du condensateur peut s’écrire sous la forme suivante [31].
&
É = &* A (II.48)
Soit, après la transformation de Laplace :
’ =
ƒ/ #
œ
(II.49)
A partir des équations (II.48) et (II.49), la boucle de régulation de la tension continue avec insertion
du régulateur peut être représentée par le schéma de la figure II.24 [31].
FIG.II.24.Régulation de la tension du bus continue de l’onduleur
85
Chapitre II.
Identification des courants harmoniques et commande du filtre actif
La fonction de transfert en boucle fermé de la boucle de regulation de la tension du bus continu de
l’onduleur est donné par :
[
Á =
.¶=
=
.¶mn(
=
Ë
=
´¨oÊ b ©Ê µ
M
¶∗Ì
Ë
=
b´¨oÊ b ©Ê µ
M
(II.50)
¶∗Ì
Apres simplification de l’équation (II.50), on trouve:
.=
[
Á = . = ¶ =
¶mn(
=∗ËoÊ
=∗Ë©Ê
#b
¶
¶
=Ë
=Ë
#= b …Ê #b ©Ê
¶
¶
(II.51)
Sachant que la fonction de transfert en boucle fermé (équation II.51) est un système de deuxième
ordre sous la forme :
=
ÍG #bG/Ê
=
/Ê #bG/Ê
/Ê
[
Á = #= bÍG
(II.52)
Après identification de l’équation (II.51) avec l’équation (II.52), on obtient :
¨…Ê
œ
= 2ÎH4 et H4
=
¨©Ê
K ÏÐ = ξω`Ð ∗ C et K ÓÐ =
œ
(II.53)
Ô=ÕÖ ∗¯
(II.54)
C : Condensateur de l’onduleur
¦§4 : Gain du régulateur PI de la tension ¦'4 : Constante du temps du régulateur PI de la tension H4 : Pulsation de coupure du régulateur PI de la tension
Î : Taux d’amortissement
II.4.5.3. Détermination des paramètres du régulateur PI de la tension pq
L'asservissement idéal est un système ayant une bonne stabilité et bonne précision, le régime
transitoire doit être rapide et bien amorti.
Le choix du coefficient d'amortissement influe sur le temps de réponse, sur le dépassement, et sur
l'oscillation du système.
Le choix de la fréquence de coupure influe sur le temps de réponse, si ω`Ð augmente (bande
passante augmente) temps de réponse diminue.
Néanmoins la fréquence de coupure de la fonction de transfert doit être plus petite que la fréquence
des ondulations de la tension au niveau de la capacité [48].
86
Chapitre II.
Identification des courants harmoniques et commande du filtre actif
Le choix des paramètres ; Capacité de l’onduleur C, taux d’amortissement Î et la pulsation de
coupure ω`Ð permet le dimensionnement de ¦§4 et ¦'4 du régulateur de tension.
Pour la détermination des paramètres ¦§4 et ¦'4 de régulateur de bus continue ont a choisie la
méthode de placement de pôle [46].
II.5. Conclusion
Dans ce deuxième chapitre, nous avons présenté le fonctionnement du filtre actif parallèle. Un
modèle global du filtre actif a été établi, Quelques caractéristiques ont été étudié notamment le
dimensionnement des éléments du FAP et l’étude des boucles de régulation pour assuré un bon
fonctionnement du filtre actif.
Pour la partie identification, nous avons présenté dans ce chapitre la technique d’identification des
harmoniques basée sur la méthode d’extraction de la fondamental en utilisant un filtre passe bas.
Pour la partie dimensionnement, nous avons exposés les méthodes de calcul des éléments de
puissance, filtre de sortie et la tension du bus continue de l’onduleur.
Pour la partie contrôle nous avons étudié les techniques de régulation des courants injectés par le
FAP basées sur la commande MLI, aussi nous avons étudié la boucle de contrôle de tension du bus
continue de l’onduleur.
L’étude du FAP présenté dans ce chapitre
sera finalement exploitée
pour
application au
dimensionnement et réalisation de la commande du FAP qui sera exposé au chapitre III.
87
Chapitre.III. Dimensionnement
et réalisation du filtre actif parallèle
Chapitre III.
Dimensionnement et réalisation du filtre actif parallèle
Chapitre III. Dimensionnement et réalisation du filtre actif parallèle
III.1.Introduction
L’implantation expérimental du filtre actif parallèle de puissance en temps réel, exige avant tout le
dimensionnement de ses éléments, ce chapitre sera consacré à l’application des principes de
dimensionnements étudiés au chapitre II.
Nous avons décidé de réaliser analogiquement par des circuits électroniques le système de commande,
régulation et protection du filtre actif, ce chapitre est composé de :
- Dimensionnement d'éléments de puissance du filtre actif parallèle (tension , Inductance du filtre de
sortie ).
- Etude et réalisation des boucles d’identification des courants harmoniques.
- Etude et réalisation de boucles de régulation des courants injectés par le filtre et la commande MLI.
- Etude et réalisation de la boucle de la régulation de la tension du bus continue de l’onduleur.
-Réalisation du circuit de protection et commande des IGBTs.
-Réalisation des alimentations 5v et ±15v pour les cartes électroniques
III.2. Principe du contrôle en compensation d’harmoniques et réactive
FIG.III.01.Schéma de principe du système de compensation harmonique
Le filtre actif parallèle triphasé présenté dans la figure III.01 (ensemble C, OND, L) doit fournir la
puissance déformante et la puissance réactive demandée par la charge non linéaire, le réseau fournit
uniquement la puissance active. Pour cela, le circuit de contrôle (boucles de régulation), en agissant sur la
88
Chapitre III.
Dimensionnement et réalisation du filtre actif parallèle
commande MLI, doit imposer la valeur instantanée des courants ,
, débités par l’onduleur de telle
sorte que les courants ,
, fournis par le réseau soient sinusoïdaux et en phases avec les tensions
simples correspondante ,
, .
Dans le cas général, le courant absorbé par la charge comporte une composante active ( ), une
composante réactive ( ) et une composante harmonique ( ).
= + + (III.01)
Le compensateur actif ne peut absorber ou fournir de la puissance active (aux pertes près) puisqu'il ne
comporte pas de source active [38].
Conséquences :
= ; Le réseau fournit la puissance active absorbée par la charge.
= + ; Le compensateur actif fournit la puissance réactive et déformante.
L’étude de la compensation de la puissance réactive n’est pas prévue dans ce mémoire, le système étudié
ne comporte pas la boucle d’identification du réactive.
La figure III.2 présente le schéma fonctionnel du FAP. Le but de ce filtre actif parallèle triphasé est la
compensation de l’ensemble des harmoniques des courants produits par la charge polluante connectée au
réseau.
FIG.III.02.Schéma fonctionnel de commande du FAP
89
Chapitre III.
Dimensionnement et réalisation du filtre actif parallèle
La commande comporte deux boucles en cascade :
- La boucle interne du courant génère la commande MLI, permet le contrôle en valeur instantanée du
courant alternatif fourni par le FAP, pour imposer un courant de source sinusoïdal.
-La boucle externe réalise la régulation de la tension du bus continue de l’onduleur. Elle est utilisée
pour limiter les variations de la tension , la valeur est choisie en fonction de la tension alternative
du réseau et aussi en fonction des paramètres de la régulation des courants injectés par le FAP.
Un filtre passe bas (FPB), est utilisé pour générer chaque référence des harmoniques I à partir du
courant I de la charge non linéaire.
Les références harmoniques , tensions image des sont déterminées par estimation des
harmoniques du courant dans la charge par le filtre passe bas, avec.
= − (III.02)
: Tension image du courant I de la charge non linéaire
: Tension image du courant fondamental de la charge non linéaire.
La référence “courant du FAP” sortant du régulateur PI courant est obtenue en ajoutant à (sortie
du régulateur de tension qui représente la variation à appliquer pour ramener la tension en valeur
moyenne à la tension ) la tension image de la composante harmonique du courant de la
charge non linéaire et la tension image du courant injecté par le FAP.
III.3.Dimensionnement des éléments du FAP
Avant de déterminer les valeurs des paramètres du FAP, il faut fixer un cahier des charges, qui nous
impose d’avoir un système qui s’adapte avec les caractéristiques de la source, la charge non linéaire,
l’onduleur, la commande du FAP proposée et les normes en vigueurs de limitation des harmoniques.
III.3.1.Cahier des charges du FAP
Afin d’étudier la faisabilité expérimentale du FAP pouvant fonctionner sur le réseau de distribution du
laboratoire (3*400V), nous avons élaborés un cahier des charges. Les principales caractéristiques de notre
cahier des charges peuvent être résumées dans le tableau ci-après :
90
Chapitre III.
Dimensionnement et réalisation du filtre actif parallèle
Cahier des charges du FAP
Caractéristiques du réseau
Réseau triphasé à trois fils 3*400V maximum
Charge non linéaire
Pont redresseur triphasé alimente une charge RL
Puissance de la charge
Courant max de 5A
Onduleur
l’onduleur triphasé à trois bras à structure de
tension est décrit dans la section III.3.11
Fréquence de commutation
20Khz
Identification des courants harmoniques
Méthode du domaine temporel : filtres passe bas
Régulation et commande du FAP
régulation classique, régulateurs de type PI
Circuits de commande
circuits électroniques analogiques
Normes THD
IEEE 519: 1992 et CEI 61000-3-2
Tableau.III.1.Cahier des charges du FAP
III.3.2. Structure générale du FAP
La structure générale du FAP étudié est décrite à la figure III.3, On y retrouve :
-Le réseau triphasé d’alimentation
-La charge polluante débitant dans une charge de type RL
-Le filtre actif parallèle à structure tension
-Le bloc d’identifications des courants harmoniques
-Les blocs de régulation des courants injectés par le FAP en utilisant la commande MLI et la régulation
de la tension continue.
-Le dernier bloc comporte le circuit d’interface et le circuit de protection.
FIG.III.03.Structure générale du FAP
91
Chapitre III.
Dimensionnement et réalisation du filtre actif parallèle
III.3.3.Adaptation des tensions réseau et onduleur
La tension alternative en sortie de l’onduleur ( ) est limitée par la tension maximale admissible sur le
bus continu ( ) qui est maintenue à une valeur qui doit être supérieur à la tension du réseau pour assurer
l’injection de l’énergie produite par le filtre actif [38].
La valeur de la tension est donnée par :
=
∗ !
&∗'
(III.03)
"
∗# ! $%$
(∗)∗'
Avec une tension de source de 95 V, en fixant le rapport cyclique des interrupteurs (d = 0,8) et le
taux d’ondulation du courant injecté par le FAP (A=0,05).
Fréquence de commutation choisie, , =20 KHz, fréquence du réseau , =50 Hz
Amplitude de la porteuse du signal triangulaire - = 3 v, tension de référence sortant des régulateurs PI
des courants injectés par le FAP ( = 2.4v).
Le rapport cyclique maximum des interrupteurs est donnés par :
./0 = + ∗ .
Avec. =
45'
(III.04)
6 d: rapport cyclique des interrupteurs
On déduit :, ./0 = 0,9, = 558 v
III.3.4.Dimensionnement des inductances de filtrage (filtre de sortie) du FAP
Les inductances ,
, transforment l’ensemble “condensateur + onduleur” en source de courant et
réalisent le lissage des courants de l’onduleur ,
,.
La valeur de l’inductance est donnée par:
= !
(III.05)
' ! ∗8"
∗∝ ! $%:∗;∗ $<∗=
Par ailleurs, l’inductance doit être dimensionnée pour que la chute de tension ∗ > ∗ /0 soit égal
ou inferieur à 20% de la tension réseau (pour le courant onduleur maximal). Avec /0 = 35 A,
On déduit : = 1.3mH
Vérification de la chute de tension ? de l’onduleur:
? = ∗ > ∗ /0
(III.06)
? = 14.3 v soit 15 % de la tension , cette chute de tension est inferieure à 20 %.
On gardera =1,3 mH.
92
Chapitre III.
Dimensionnement et réalisation du filtre actif parallèle
III.3.5.Circuits identification des courants harmoniques et régulation
Dans ce paragraphe, nous allons présenter les principes des circuits réalisés pour la commande du FAP.
L’ensemble des circuits d’identification des courants harmoniques et régulation du FAP sont réalisés par
des AOP (amplificateur opérationnel) TL 081, TL 082 et TL 084, figure III.04.
TL081
1
Balance
TL082
TL084
Sortie A 1
8
NC
8
+V
Sortie A
Entré A-
Entré 2
7
+V
Entré A-
7 Sortie B
2
Entré A+
1
1
4
Sortie C
2
1
3
Entré C-
3 A
C
1
1
1
0
4
A
3
+V
B
6 Entré B-
6
Entré B+
Entré A+ 3
Sortie
Entré +
4
-V
Entré B5
Balance
4
-V
5
Sortie B
5
6
12
B
7
Entré C+
+V
Entré D+
D
9
8
Entré DSortie D
Entré B+
FIG III.04.Schéma des circuits TL 081, TL 082 et TL 084
III.3.6.Identification des courants harmoniques
III.3.6.1.Mesure des courants absorbés par la charge non linéaire et courants injectés du FAP
Les mesures de courants absorbés par la charge non linéaire et courants injectés du FAP sont réalisées à
l’aide des capteurs à effet Hall de marque LEM, LA 25 –NP, figure III.05.
FIG.III.05.Brochage du capteur de courant LEM LA 25-NP
93
Chapitre III.
Dimensionnement et réalisation du filtre actif parallèle
@/ = 100ohms, @ =10 K ohms, @
=100 K ohms, gain du capteur G = − "@
⁄@ %, (Facteur d’échelle
(0,15V/1A), il est amplifié par un AOP TL 081 à un gain de K = -10 pour avoir un facteur d’échèle de
1,5V/1A.
III.3.6.2.Identification des courants harmoniques par des filtres passe bas
Le montage présenté dans les figures III.06 et III.07 détermine les harmoniques engendrée par la charge
polluée en utilisant un filtre passe bas d'ordre quatre 4 ; il permet d'extraire le courant fondamental du courant absorbé par la charge non linéaire (I ). La référence composante harmonique ( ) est obtenue
par soustraction du fondamental I au courant de la charge , d’où : = − . Gain du
comparateur ( − ) K=1.
FIG.III.06.Schéma de principe de l’extraction des courants harmoniques de la charge non linéaire
L’implantation active du filtre d’ordre quatre (4) se fait à l’aide d’un montage avec amplificateur
opérationnel constitué de deux filtres de deuxième ordre en cascade. Parmi les montages les plus courants
du filtre de deuxième ordre, on trouve la topologie Sallen-Key, le schéma de montage réalisé est présenté
à la figure III.07.
Le filtre passe-bas du second ordre est défini par la fonction de transfert suivante :
JK =
'
O
'
L ( ∗" %( NL∗ ∗Q RN
'M
P 'M
(III.07)
f : fréquence du signal d’entré
Les paramètres «, » et « Q » sont respectivement la fréquence de coupure et le facteur de qualité.
FIG.III.07. Extraction des courants harmoniques de la charge non linéaire par des filtres passe bas d’ordre
quatre (4)
94
Chapitre III.
Dimensionnement et réalisation du filtre actif parallèle
Facteur de qualité :
S=
√/∗U
/N
(III.08)
Fréquence de coupure :
, = 1⁄"2 ∗ W ∗ √X ∗ Y ∗ @ ∗ Z %
(III.09)
Déphasage :
[ = −\]^_`"2 ∗ W ∗ , ∗ @ ∗ Z %
(III.10)
Premier filtre Jab : Les valeurs de @ et Z sont choisis de façon à ce que la fréquence de coupure du
filtre passe bas soit égal à la fréquence du réseau , =50hz.
m=1, n=1, Q= 0,5, R = 32 K ohms, Z= 100nF, , = 49,73 HZ, [ = -45°
L’amplificateur opérationnel à montage inverseur (Inv) situé entre les deux filtres Jab et Jab
sert à
compenser le retard créer par les deux filtre passe bas et de régler l’amplitudeI du signal de sortie
du deuxième filtre Jab
pour quelle soit en phase et de même amplitude avec l’image du courant de
charge .
La résistance @d
(0 à 5kohms), est utilisé pour régler l’amplitude de I à la même amplitude de
, @d = 1efXg.
Deuxième filtre Jab
: La sortie du premier filtre du deuxième ordre est appliquée à l’entrée inverseuse
de l’amplificateur opérationnel à montage inverseur situé entre les deux filtres Jab et Jab
, I′ est
alors en avance de 45° par rapport à , donc il faut régler la phase Φ
de l’amplitude I′′ du
deuxieume filtre Jab
à 45° en retard pour que I soit en phase avec .
Les paramètres du deuxième filtre sont identiques à celle de premier filtre.
III.3.7.Boucles de régulation des courants injectés du FAP
III.3.7.1.Fonction de transfert de la boucle de régulation du courant injecté du FAP
L’onduleur, afin qu’il débite les courants qui permettent de compenser les harmoniques des courants crées
par la charge non linéaire, a besoin d’être asservi.
Pour annuler l'erreur de traînage (suivi de la référence en temps réel du courant injecté du filtre), on met
en œuvre un régulateur de type P.I. que l'on dimensionne pour une bande passante de la boucle de courant
inférieure à la fréquence de commutation. Pratiquement, on limitera la bande passante à (, /6) environ et
la marge de phase à 60° [46], avec , fréquence de commutation de l’onduleur.
95
Chapitre III.
Dimensionnement et réalisation du filtre actif parallèle
La figure III.08 présente la boucle de régulation des courants injectés du FAP étudié au chapitre II.
FIG.III.08.Schéma de régulation des courants injectés du FAP
La fonction de transfert en boucle ouvert de ce système est donnée par la connexion en cascade de tous
les blocs. On trouve :
no
JhijklUm = QG- + R ∗
pq ∗r
6
∗
s
$ t
s
N t
∗
(III.11)
w'
y
x'
u' vN
La fonction de transfert en boucle fermé à retour unitaire de ce système s’exprime par la fonction suivante
I
JhiIklUm = NIsz{M|}4
~
(III.12)
sz{M|}4 ~
L’équation (III.13) donne l’expression générale du régulateur PI utilisé dans notre étude, figure III.08:
5445}4
45'
=
u€o N
O
q6o ‚
uƒ
=
u€o ∗L„6o …N
u ƒ ∗L„
6o …
=
Nh€o ∗
Après identification on trouve G† =
∗ho
h
= h€o + ∗h = G- +
o
o
@†‡‰
@ ˆ etG‡ = uƒ ∗„6o
K†‡ : Constante du temps du régulateur PI,
K‡ : Constante du temps d’intégration du régulateur PI
96
no
(III.13)
(III.14)
Chapitre III.
Dimensionnement et réalisation du filtre actif parallèle
FIG.III.09.Schéma du régulateur PI des courants injectés par le FAP
III.3.7.2.Distribution des courants de références de la commande MLI
Nous avons besoin a priori des capteurs de courants pour mesurer les courants de la charge non linéaire
et les courants injectés par le filtre actif parallèle.
Ainsi, afin de réduire le nombre des capteurs, sachant que nous avons un montage 3 fils, charge équilibré
et un système équilibré des courants de charge et tensions de source, on peut donc générer le troisième
terme (phase 3) à partir des deux premiers termes (phase 1 et phase 2), comme suit :
= −" + %
, ‹_ : Tensions
(III.15)
image des courants de
référence des trois phases (appliqué à la
commande MLI) sortant des PI courant.
et : Tensions image des références courants harmoniques de la charge non linéaire des phases
1 et 3.
et : Tensions image des références courants injectés du FAP des phases 1 et 3.
: Sortie du régulateur PI de tension FIG.III.10.Schéma de distribution des courants de référence
97
Chapitre III.
Dimensionnement et réalisation du filtre actif parallèle
Quatre capteurs seraient donc théoriquement nécessaires pour notre commande deux pour les courants
de charge et deux pour les courants injectés du filtre actif parallèle.
Deux régulateurs, de type proportionnel et intégral, réalisent le contrôle du courant onduleur dans les
phases 1 et 3. Un montage sommateur inverseur avec un gain (G
=0,5), élabore le signal de référence
(
) à partir des signaux de référence et , le gain des deux comparateurs de distribution
des courants de référence G = G =1(figure.III.10).
III.3.7.3.Choix des paramètres du régulateur PI des courants injectés du FAP:
Pour la détermination des paramètres Kp et KI de régulateur des courants injectés du FAP ont a choisie la
méthode de la sélection de la fréquence de coupure et de la marge de phase [46] :
Les constantes G† et G‡ du régulateur PI des courants injectés par le FAP sont données par :

€
G† = p
G =
q
@ Ž1 + (>„ u' )
∗r (III.16)
'
…qw n€
(III.17)
w'
&
s
mU$( )N- N
mU‘O Q…qw RNmU‘O v…qw y’
(
t
x'
Les paramètres du régulateur du courant sont choisis de façon à voir les performances désirés [48].
-
Erreur statique nul
-
Marge de phase comprise entre 45° et 68°
-
Bande passante comprise entre (0, >? )
Donnés nécessaires pour dimensionné le régulateur PI :
-La marge de phase “ℎ/ =60°=1.0472 rad
fs=20Khz, , =fs/6, =1,3mh, @ =0,2 ohms, † = 3, „ =558v
La transmittance de la chaine de retour : G = ' =
—
˜,™
:
= 0.15 A/V
(III.18)
-Pulsation de coupure du régulateur PI :
>? = 2 ∗ W ∗ ( ™ )=20944 (
œž
Ÿ
)
(III.19)
On déduit :G† = 0,9759 et G =385.0976 (rad/s), ce qui nous permet de dimensionner @ ˆ , @†‡ et Z-‡
G† = @†‡ ⁄@ ˆ et Z-‡ =1⁄(R'*G‡ )
On fixe @ ˆ = 4,4K ohms, on déduit :@-‡ = 4,2940 Kohms, Z-‡ = 0,59017µF
98
(III.20)
Chapitre III.
Dimensionnement et réalisation du filtre actif parallèle
III.3.7.4.Commande MLI
III.3.7.4.1.Schéma de principe de la commande MLI
Le schéma de principe de la commande MLI est présenté dans la figure.III.11 qui illustre la technique de
la commande MLI (Modulation de largeur d’impulsion).
Chaque référence de tension modulatrice ( , ‹_ sortants des régulateurs PI des courants
injectés du FAP) est comparée à un signal triangulaire (porteuse) de fréquence fixe (fixée ici à 20KHz)
pour générer les ordres de commande des IGBTs de l’onduleur.
FIG.III.11.Schéma de principe de la commande MLI
Trois paramètres caractérisent la commande MLI [38] :
- L’indice de modulation :
X = , ⁄, Avec m >> 1
(III.21)
On a: , = 50 Hz, , = 20 kHz, m = 400
-Le rapport cyclique des interrupteurs :
.=
45'
= 0,8
6
(III.22)
-le rapport cyclique max des interrupteurs :
./0 = + ∗ . = 0,9
(III.23)
III.3.7.4.2.Génération de la porteuse
Pour créer la porteuse en met en place un générateur de signal triangulaire. Pour réaliser ce montage, on
utiliser un trigger non-inverseur suivi d'un intégrateur inverseur. Celui-ci fournira du signal triangulaire
appelé « porteuse ». Ce montage est présenté à la figure III.12.
, = 1⁄"2 ∗ @ ∗ Z- %
(III.24)
@ =25K ohms, @ =74 K ohms, @# = 10 K ohms, @ =100 K ohms
Z- =1 nf, , =20 KHZ
L’amplitude du signal triangulaire - est réglée à 3v par le gain K des résistances @¤ et @
99
Chapitre III.
Dimensionnement et réalisation du filtre actif parallèle
FIG.III.12.Schéma du circuit de génération de la porteuse triangulaire
III.3.7.4.3.Comparateur MLI
Les signaux MLI sont générés par des amplificateurs à montage comparateur à partir des signaux de
référence ,
, et de la porteuse triangulaire - , figure III.13.
La diode est utilisé pour supprimé la partie négative du signale /?‡
/?‡ =
u¥
u
∗ "- − %
(III.25)
Avec :
@ = 1 K ohm ,@¦ = 10K ohms, /?‡ =6v
FIG.III.13.Circuit de la commande MLI
III.3.7.5. Tracé de Bode et de la réponse indicielle de la boucle de régulation des courants injecté du
FAP.
La figure III.14 montre le diagramme de Bode du système corrigé de la boucle de régulation du courant
injecté du FAP en boucle ouverte (système + régulateur, figure III.08), le critère de la stabilité est
respecté, où la fréquence de coupure désirée et la marge de phase peuvent être lues.
100
Chapitre III.
Dimensionnement et réalisation du filtre actif parallèle
FIG.III.14.Représentation dans le lieu de Bode de la boucle de régulation du courant injecté du FAP en
boucle ouverte, équation III.11.
La figure III.15 montre la réponse indicielle du système corrigé en boucle fermé de la boucle de
régulation du courant injecté du FAP (figure III.08). Le système est bien amortie, le premier dépassement
est de l’ordre de 5% qui caractérise l'amplitude maximale des oscillations, le temps de réponse à 105% de
la valeur final est de 0.000113sec, qui correspond au temps de stabilisation du système, l’erreur statique
est de l’ordre 0.01, qui caractérise la précision du système en régime permanant.
FIG.III.15.Simulation de la réponse indicielle du système corrigé en boucle fermé de la boucle de
régulation du courant injecté du FAP, équation III.12.
101
Chapitre III.
Dimensionnement et réalisation du filtre actif parallèle
III.3.8.Boucles de régulation de la tension §¨ du bus continue de l’onduleur
III.3.8.1.Fonction de transfert de la boucle de régulation
La figure III.16 présente la boucle de régulation de la tension du bus continu de l’onduleur étudié au
chapitre II.
FIG. III.16.Régulation de la tension continue La fonction de transfert en boucle ouvert de ce système est donnée par la connexion en cascade de tous
les blocs. On trouve :
JKijmU‡k = QG-© +
noª
R „∗
(III.26)
La fonction de transfert en boucle fermé de ce système s’exprime par la fonction suivante
Ih
JKiImU‡k = NIhz{5~o|
(III.27)
z{5~o|
Le régulateur proportionnel intégral (PI) de la tension du bus continu de l’onduleur, figure III.15 est
donné par :
«
∆­M
=
O
qª ‚
uª( N
uªO
=
uª( ∗L„ª …N
uªO ∗L„ª …
=
Nh€oª ∗
∗hoª
Apres identification on trouve G†© =
∆pM : Erreur ou écart de réglage
h
= h€oª + ∗h = G-© +
oª
oª
noª
(III.28)
@©
‰@ etG‡© = u ∗„
©
ªO ª
(III.29)
: Sortie du régulateur de tension qui représente la variation à appliquer pour ramener la tension en
valeur moyenne à la tension K†‡© : Constante du temps du régulateur PI de la tension K‡© : Constante du temps d’intégration du régulateur PI de la tension 102
Chapitre III.
Dimensionnement et réalisation du filtre actif parallèle
FIG.III.17.Schéma du régulateur PI de la tension III.3.8.2.Mesure de la tension §¨
La mesure de la tension (figure III.18) est réalisée à l’aide d’un capteur à effet Hall de marque LEM-
LV, 25 -800 v facteur d’échèle = 1v/400v, il est amplifiée par un AOP TL 081 à un gain K= 5, pour
avoir un échèle de 5v/400v. @/ = 100fℎXg, @ =2 K ohms, @
=10 Kohms.
FIG.III.18.Capteur de tension LEM- LV, 25 -800 v
III.3.8.3.Choix des paramètres du régulateur PI de la tension de bus continue:
Sur l’entrée continue de l’onduleur de tension, Il faut que la tension moyenne aux bornes de ce
condensateur reste constante. L’onduleur va consommer ou fournir de la puissance active en l’absence
d’une boucle de régulation sur la tension [38].
On récupère la tension aux bornes du condensateur et on la compare à la tension de référence .
Le tout passe dans un régulateur proportionnel intégral pour obtenir en sortie un courant représentatif de
la variation à appliquer pour ramener la tension en valeur moyenne à la tension .
103
Chapitre III.
Dimensionnement et réalisation du filtre actif parallèle
La sorti du régulateur PI de la tension est ajoutée au courants de références harmoniques puis
l’ensemble est soustrait aux courants injectés du filtre actif parallèle (figures III.2 et III.10).
À la sortie de l’onduleur, on aura un courant de compensation qui tiendra compte de la tension et de
l’écart à apporter pour que le courant injecté par le filtre et le courant référence harmonique soit égaux.
Pour la détermination des paramètres G-© et G‡© de régulateur de bus continue ont a choisie la méthode
placement de pôle [46].
Pour un redressement triphasé double la fréquence des ondulations de la tension au niveau de la capacité
est de 300 hz pour une fréquence de réseau de 50 hz, la fréquence de coupure de la fonction de transfert
doit être plus petite que la fréquence des ondulations de la tension au niveau de la capacité [48].On
choisi une fréquence de coupure ,© = 60HZ.
Pour avoir un coefficient d'amortissement optimal du système en boucle fermée, nous avons choisi
± = 0.7. Capacité de l’onduleur C=1100 µF
Les constantes G†© et G‡© du régulateur PI de la tension sont données par
G੠=
…Mª ( ∗„
(III.30)
G†© = ± ∗ >© ∗ Z
>© = 2 ∗ “² ∗ ,^ , avec ,© = 60HZ, gain du comparateur et Uœµ¶ ; K=1, = 7v.
]\.
>© = 376.9911 (
)
g
On déduit : G‡© =78.166 (
u
G-© = uª(
G੠=
#
(III.31)
) et G†© =0.2903, ce qui nous permet de dimensionner @© , @©
et Z©
(III.32)
ªO
„ª ∗uªO
(III.33)
On fixe Z© = 100 nF, on déduit : @© = 127,93 Kohms et @©
= 37,138 K ohms
III.3.8.4. Tracé de Bode et de la réponse indicille de la boucle de regulation tension du bus continu
de l‘ondueur
La figure III.19 montre que le diagramme de Bode du système corrigé de la boucle de régulation de la
tension en boucle ouverte (système + régulateur, figure III.16), le critère de la stabilité est respecté, où
la fréquence de coupure désirée et la marge de phase peuvent être lues.
104
Chapitre III.
Dimensionnement et réalisation du filtre actif parallèle
FIG.III.19.Représentation dans le lieu de Bode de la boucle de régulation de la tension du bus continu de
l’onduleur en boucle ouverte, équation III.26.
La figure III.20, montre la réponse indicielle du système corrigé en boucle fermé de la boucle de
régulation de la tension du bus continue de l’onduleur (figure III.16), Le système est peut amorti, le
premier dépassement est de l’ordre de 21% qui caractérise l'amplitude maximale des oscillations, le temps
de réponse à105% de la valeur final est de 0.0115 sec, qui correspond au temps de stabilisation du
système, l’erreur statique est de l’ordre 0.01, qui caractérise la précision du système en régime permanant.
FIG.III.20.Simulation de la réponse indicielle du système corrigé en boucle fermé de la boucle de
régulation de la tension du bus continue de l’onduleur équation III.27.
105
Chapitre III.
Dimensionnement et réalisation du filtre actif parallèle
III.3.9.Circuits d’interface et de protection
III.3.9.1.Circuits d’interface
La logique de sortie fournit les signaux de commande des transistors IGBT à partir des signaux MLI en
passant par des circuits d’interface
Le signal sortant de la commande MLI n’est pas assez puissant pour pouvoir amorcer l’IGBT pour cette
raison nous sommes amenés à réaliser un circuit d’interface qui sert à l’amplification de courant et
tension afin de piloter l’IGBT à partir de sa gâchette.
Le circuit d’interface est constitués de :
-
Circuits logiques AND 4081 et NAND 4011 contribuent
à la mise en forme et la génération des
signaux hauts et bas à partir de la commande MLI pour commander les six (06) interrupteurs
(IGBTs) de l’onduleur, figures III.22.
-
Circuit d’adaptation est composés de six optocoupleurs de type 6N136 (trois pour la commande haut
et trois pour la commande bas),
ils jouent le rôle d’interface entre les entrées des drivers de
l’onduleur et les sorties de la commande des circuits logiques NAND 4011 et AND 4081, figures
III.21 et III.22.
FIG.III.21.Schéma de brochage de l’optocoupleur 6N136
La résistance @ est choisie à 220 ohms pour assurer un courant d'entrée inférieur au courant d'entrée
évalué de l’optocoupleur.
Puisque la résistance d'entrée des IGBT est de 10 k, la résistance @
est choisi à une valeur de 2.21 k
ohms de sorte que la tension sur la borne BNC2 soit 12 v, (15 v *10 /(10 +2.21 )) = 12.3 V, qui
correspond à la tension d’entré du driver de l’onduleur. La capacité du condensateur C=0.1 µ f.
106
Chapitre III.
Dimensionnement et réalisation du filtre actif parallèle
III.3.9.2.Circuits de protection
Les signaux de défaut de l’onduleur fournis par les drivers, (erreurs phases 1, 2, 3 et erreur température)
seront utilisés pour réaliser un circuit de protection dont l’objectif est :
-Couper l’alimentation des optocoupleurs, pour ne pas envoyer les ordres de la commande MLI aux
interrupteurs IGBTs de l’onduleur
-Isoler l’onduleur au réseau : On utilise un contacteur triphasé qui sera commandé par le circuit de
protection.
On ajoute un disjoncteur triphasé entre le réseau et l’onduleur comme protection complémentaire pour
les défauts sur intensité (court circuit et surcharge).
Le circuit de protection est réalisé par un circuit logique NAND 4012, un transistor, des relais de 5 volts,
un contacteur triphasé et un disjoncteur triphasé.
Le relais C et le contacteur D sont en position excités si le système est mis en marche, une lampe LED
verte indique que les optocoupleurs sont alimentés.
Si l’onduleur est en défaut une erreur sera envoyé au circuit logiques NAND 4012, il réunit tous les
erreurs par une un signale de sortie commun (défaut générale), il amorce le transistor T, le relais A et le
relais B s’excitent, les contacts ¸ et b se ferment et b
s’ouvre. le relais B reste en position excité par
le contact b, le relais C se désexcite par l’ouverture du contact b
, le contact Z s’ouvre, le contact Z
est utilisé pour couper l’alimentation des optocoupleurs 6N136.
Le contacteur triphasé D se désexcite par l’ouverture du contact b
, il est utilisé pour isoler l’onduleur au
réseau, une lampe LED rouge est allumée pour indiqué que le circuit de protection est enclenché. Un
boutant poussoir d’arrêt (reset) son rôle et de réarmer le circuit de protection si le défaut est acquitté, la
figure III.22 présente le circuit d’interface et de protection.
La figure III.22 comporte le circuit détaillé de génération des signaux haut et bas de la MLI, le circuit
d’interface, et le circuit de protection.
Pour éliminer le déphasage des signaux MLI engendré par les optocoupleurs, on met avant les bascules (4081) et (4011) une bascule NAND ˜ (4011)
107
Chapitre III.
Dimensionnement et réalisation du filtre actif parallèle
FIG.III.22.Circuits de génération des signaux haut et bas, d’interface, et de protection
III.3.10.Alimentation des cartes électroniques
Les relais du circuit de protection ont besoin d'une tension de +5V. Quant aux amplificateurs
opérationnels, les capteurs de courant et de tension, les bascules et les optocoupleurs nécessitent une
alimentation ±15v.
108
Chapitre III.
Dimensionnement et réalisation du filtre actif parallèle
Une alimentation est un montage transformant la tension alternative du secteur en une tension continue
basse tension. Une alimentation secteur est composée d'un transformateur, d'un redresseur, d'un filtre et
d'une stabilisation/régulation.
Pour éliminer les ondulations de la tension fournie par un redressement double-alternance filtré et pour
stabiliser la tension à une valeur donnée, on insère dans le circuit un circuit intégré régulateur. Pour
l’alimentation 5v, on utilise un régulateur positif 7805 (5v, 1 A) ; figure III.23.
Pour l’alimentation ± 15v on utilise deux régulateurs ; régulateur positif 7815 (15v, 1 A) pour la sortie
+15v, régulateur négatif 7915 (15v, 1 A) pour la sortie -15v ; figure III.24.
FIG.III.23. Alimentation stabilisée et régulée (5v)
FIG.III.24. Alimentation stabilisée et régulée (±15 v)
III.3.11.Caractéristiques et description de l’onduleur utilisé
Le FAP a été construit autour d'un onduleur, commercialisé par SEMIKRON présenté dans la figure
III.25. Les caractéristiques (courant - tension) de ce produit permettent d'utiliser des charges, alimentées
109
Chapitre III.
Dimensionnement et réalisation du filtre actif parallèle
par le réseau BT industriel 400 V. L’onduleur présenté au figure III.25 est formé par des Transistor
IGBTs, (Insulated Gate Bipolar Transistor) comporte 3 bras, constitués chacun d’un module de 2 IGBTs.
Il s’agit de composants fabriqués par la société SEMIKRON, plus précisément des modules
SKM50GB123D 1200V/50A, incluant des diodes placées en antiparallèle des IGBTs.
L’ouverture et la fermeture des IGBTs sont pilotés par des drivers de type SKHI 22A (tension de
commande 0/15V) de marque SEMIKRON également. Ces drivers réalisant la commande rapprochée et
incluent des éléments de protection des composants de puissance et de gestion des temps morts. Deux
condensateurs de 2200µF mis en série sont connectés du côté continu de l’onduleur. L’ensemble est
monté sur dissipateur constitué d’un refroidisseur et un ventilateur. La commande des six (6) interrupteurs
est appliquée sur connecteurs BNC. On dispose, également sur BNC, de signaux de défaut fournis par les
drivers, que l'on peut reprendre sur la commande. La puissance est connectée par l'intermédiaire de
bornes de sécurité (/0 = 60A). L'ensemble est protégé par un capot en PVC transparent.
FIG. III.25. Description de l’onduleur (vus de dessus et de face)
110
Chapitre III.
Dimensionnement et réalisation du filtre actif parallèle
III.4.Présentation du matériel expérimental
La maquette expérimentale du système représenté aux figures III.26, III.27et III.28, sont composées des
éléments suivants :
-Source de tension constitué d’un auto transformateur triphasée réglable de 0 V à 400V, un courant de
5A, = 90 mh, @ =2,6ohms
- La charge polluante est décrite dans la section IV.4 du chapitre IV
- Le filtre actif parallèle triphasé à structure tension (onduleur, inductances et condensateurs).
- La commande du filtre actif composé par 03 blocs réalisé par des circuits électroniques analogiques.
Le premier bloc est constitué de :
-
La génération des courants de référence harmoniques à partir des grandeurs électriques du montage de
puissance.
-
Le deuxième bloc est constitué de :
-
La régulation des courants injectés du FAP et la régulation de la tension
du bus continue de
l’onduleur.
Le troisième bloc est constitué de :
La protection de l’onduleur et la commande des IGBTs.
L’ensemble du dispositif expérimental du FAP est présenté aux figures (III. 26, III.27 et III.28)
FIG. III.26.Présentation global du système expérimental du FAP
111
Chapitre III.
Dimensionnement et réalisation du filtre actif parallèle
FIG. III.27.Présentation du circuit contrôle commande réalisé dans le laboratoire (a)
FIG. III.28. Présentation du circuit contrôle commande réalisé dans le laboratoire (b)
112
Chapitre III.
Dimensionnement et réalisation du filtre actif parallèle
III.5. Conclusion
Ce chapitre nous a permis d’utiliser les techniques proposés au chapitre II pour le dimensionnement et la
réalisation du FAP, les paramètres obtenus ont été exploités pour la réalisation des circuits de contrôle du
FAP, par l’emploi des circuits électroniques analogiques.
Le dimensionnement et la réalisation du FAP a été achevé en trois parties, une première partie traite les
éléments de puissance :
-
Adaptation de la tension du bus continue de l’onduleur et détermination de l’inductance du filtre de
sortie en fonction de la tension réseau et des paramètres de régulation des courants injectés du FAP.
-
La deuxième partie a été consacrée à :
L’étude et la réalisation des circuits d’identification des courants harmonique.
L’étude et la réalisation des boucles de contrôle des courants injectés du FAP et de la tension du bus
continue de l’onduleur.
-
La troisième partie, nous avons réalisés le circuit de protection et de commande des IGBTs et les
alimentations 5v et +-15v.
Nous avons présenté le dispositif expérimental complet, notamment la charge polluante, les cartes
électroniques analogiques et l’onduleur de tension triphasé.
Dans le chapitre qui suit nous allons valider les résultats expérimentaux du FAP qui a été développé et
réalisé au sein de laboratoire de l’université de Béchar.
113
Chapitre. IV. Résultats expérimentaux du
filtre actif parallèle
Chapitre IV.
Résultats expérimentaux du filtre actif parallèle
IV.1. Introduction
Dans ce chapitre, nous allons présenter les résultats expérimentaux de la réalisation du prototype
expérimental du système de compensation d’harmoniques commandé en temps réel, dimensionné
pour une tension de source de 95 V, un courant de charge de 5 A, puissance de 823 VA, en utilisant
un filtre actif parallèle triphasé à structure tension, étudié dimensionné et réalisé aux chapitres II et
III.
Source triphasé Courant de source Is
Ls
Courants de charge
Charge non
linéaire
Ich
Rs
Lc
Rc
L
disjoncteur
Filtre de sortie
R
Courants injectés du
FAP If
Lf
Rf
contacteur
Circuit de
protection
Courants de
référence harmonique
Erreurs
disjoncteur
Tension du bus continu
Uc
de l’onduleur
Onduleur triphasé
Circuit
d’interface
Commande
IGBTs
Régulation
Courants
FAP
et commande
MLI
Ih
Identification
courants
harmoniques
0-220v
0-15v
Alimentation Alimentation
ventilateur
drivers
Régulation tension Uc
FIG. IV.01.Structure générale de la commande du FAP
IV.2.Caractéristiques de la tension de source avant application de la charge non linéaire et
avant filtrage actif
Matériel de mesure utilisé :
-Analyseur d’énergie des réseaux BT (600V, 100 A) commercialisé par CHAUVIN ARNOUX
type C.A 8335 (Qualistar+)
-Oscilloscope
-Multimètre
- Carte d’acquisition de marque ; Iotech 1005
114
Chapitre IV.
Résultats expérimentaux du filtre actif parallèle
FIG. IV.02.Formes d’ondes tension de source
FIG. IV.03.Analyse harmonique tension de
source
Nous constatons que les tensions du réseau sont légèrement déformées figures (IV.2 et IV.3), des
distorsions des tensions de source, 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑢𝑢 de l’ordre de 4%, aussi un petit déséquilibre des valeurs
efficaces des tensions simples,
occasionnés par
l’utilisation des charges
déséquilibrés et
polluantes de différents types dans l’université.
IV.3.Essai avec une charge linéaire
D’après les donnés ci-dessus de la tension du réseau, on fait un essai avec une charge linéaire pour
avoir une idée sur la forme d’onde et l’analyse harmonique du courant absorbé.
Charge utilisé :
Résistance triphasé R= 170ohms.
115
Chapitre IV.
Résultats expérimentaux du filtre actif parallèle
FIG. IV.04.Formes d’ondes des courants absorbés
FIG. IV.05.Analyse harmonique des courants
par la charge linéaire
absorbés par la charge linéaire
On remarque qu’avec une charge linéaire, les courants de charge figures (IV.4 et IV.5), ont une
distorsion harmonique THDu de 2.8 %, engendré par les distordions des tensions de sources.
IV.4.Caractéristiques de la charge non linéaire
Pour constituer une charge riche en harmonique, on a choisit de travailler avec une charge non
linéaire constituée par un pont triphasé à diodes, débitant dans une charge RL. Il s’agit d’un
module triphasé de marque GLEICHRICHTER B6, 3X400V, 10 A. Cette charge consomme un
courant ayant un taux d’harmonique important comme montre la figure IV.6 et la figure IV.7.
IV.5.Résultats expérimentaux du FAP
Nous présenterons dans ce paragraphe les résultats du fonctionnement du filtre actif parallèle, avec
comme objectif essentiel de compenser les harmoniques produite par la charge non linéaire et
garantir ainsi des courants de sources sinusoïdaux.
Le tableau IV.1 présente les paramètres du système étudié ; source, charge et FAP
116
Chapitre IV.
Résultats expérimentaux du filtre actif parallèle
La charge non
Filtre actif
Commande
Régulateur
Régulateur
linéaire
parallèle
MLI
de courant
de tension
Source triphasé
Vs
Ls
Rs
Ld
Rd
Uc
Lf
Rf
C
fs
r
αmax
KP
KI
KP
KI
95
90
2,6
40
Rc
Ich
50
4
558
1,3
0,2
1100
20
0,8
0,9
0,97
385,09
0,29
78,16
v
mh
Ω
mh
Ω
A
v
mh
Ω
µF
Khz
1,3
0,2
mh
Ω
Lc
Tableau. IV.1. Paramètres du système expérimental.
IV.5.1.Mise en œuvre du système
La mise en route le filtre actif se fait de la façon suivante :
-
Alimentation des cartes électroniques analogiques
-
Mise sous tension des drivers de l’onduleur
-
Alimentation du ventilateur de l’onduleur
-
Fermeture le contacteur triphasé D pour relier le filtre actif parallèle au réseau et charger le
condensateur du bus continue
-
Envoi des ordres de commande MLI
-
Mise sous tension du filtre actif parallèle s’effectue progressivement de façon à éviter les
gradients de courants trop importants dans les diodes et aussi éviter le déclenchement par sur
intensité au moment de la charge du condensateur du bus continue de l’onduleur.
IV.5.2.Résultats expérimentaux de la compensation harmonique
Les figures (IV.6, IV.7) présentent les formes d’ondes et les spectres harmoniques des courants de
source avant filtrage absorbés par la charge la charge 𝐼𝐼𝑠𝑠 (1, 2, 3). Le 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝐼𝐼 en courant pour cette
charge est entre 26 % à 28%. Le déséquilibre des valeurs de 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝐼𝐼 des courants absorbé par la
charge non linéaire est dû au déséquilibre du 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑢𝑢 et des valeurs efficaces des tensions du réseau,
Le but du filtrage actif est de ramener le 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝐼𝐼 à une valeur inférieure à 10 %, comme l'impose la
norme CEI, ou inferieur à 5% comme impose la norme IEEE.
Les résultats de simulation de la compensation harmonique sont indiqués ci après.
117
Chapitre IV.
Résultats expérimentaux du filtre actif parallèle
IV.5.2.1. Résultats de compensation des courants de sources en régime stationnaire
FIG. IV.06.Formes d’ondes des courants de
FIG. IV.07.Analyse harmonique des courants de
source avant filtrage absorbés par la charge
source avant filtrage absorbés par la charge
non linéaire
non linéaire
FIG. IV.08.Formes d’ondes des courants de source FIG. IV.09.Analyse harmonique des courants
après filtrage
de source après filtrage
FIG. IV.10.Forme d’ondes des courants injectés
par le FAP
118
FIG. IV.11. Analyse harmonique des courants
injectés par le FAP
Chapitre IV.
Résultats expérimentaux du filtre actif parallèle
Après mise en service du FAP on obtiendra les courants de source compensés qui sont présentés
sur les figures (IV.08 et IV.09).
Les valeurs des 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑖𝑖 des courants de source obtenus avec la commande MLI sont réduit à 2,1 %,
2,3%, 2,2% des trois phases, on remarque que l’onde du courant est presque sinusoïdale et sa
représentation spectrale confirme la faible présence des harmoniques de rang faible (surtout ; 5, 7, 9
11 et 13) qui sont totalement compensés.
La décomposition spectrale des courants injectés par le FAP (figures IV.10 et IV.11) montre
la prépondérance des harmoniques 5, 7,11 et 13.
Les courants de source présentés dans les figures IV.08 et IV.09 sont masqués par les composantes
dûes à la fréquence de commutation de l’onduleur que le filtre de sortie n’a pas pu les empêchés
totalement de se propager sur le réseau électrique.
Les relevés effectués valident toutes les fonctionnalités du système de compensation d’harmoniques
réalisé. Les résultats obtenus montrent que la mise en œuvre du filtre actif permet de réduire
considérablement le contenu harmonique du courant de source, qui témoigne des performances du
filtre actif avec la commande MLI.
Le taux de distorsion harmonique du courant est ramené à un niveau qui respecte les normes IEEE
519 et CEI 61000-3-2.
Ce qui nous permettre de dire que ces résultats nous permettent de valider notre modèle utilisé.
Finalement, les principaux résultats de cette simulation sont récapitulés dans le tableau. IV.2.
Sans compensation
Courant de source
𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑖𝑖
Phase 1
4,06 A
28,5 %
Phase 2
4,08 A
27,5 %
Phase 3
4,02 A
26,4 %
Avec compensation
Phase 1
4,40 A
𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑖𝑖
Phase 2
4,37 A
2,3%
Phase 3
4,42 A
2,2 %
Courant de source
2,1%
Tableau. IV.2.Récapitulatif des résultats.
119
Chapitre IV.
Résultats expérimentaux du filtre actif parallèle
IV.5.2.2.Résultats d’identification des courants harmoniques
On fait fonctionner les circuits d’identification des courants harmoniques par application de la
charge non linéaire. Les résultats d’identification des courants de références harmoniques sont
donnés par les figures IV.12, IV.13 et IV.14.
FIG. IV.12. Forme d’onde courant de charge 𝐼𝐼𝑐𝑐ℎ
FIG. IV.13. Forme d’onde courant fondamental
𝐼𝐼𝑐𝑐ℎ 𝐹𝐹 identifié par le filtre passe bas
FIG. IV.14.Formes d’ondes des courants des références harmoniques 𝐼𝐼ℎ (phases 1 et 3)
Les résultats obtenus par les filtre passe bas
sont satisfaisants, la forme d’onde du courant
fondamental (𝐼𝐼𝑐𝑐ℎ 𝐹𝐹 ) est sinusoïdal et en phase avec le courant de la charge (𝐼𝐼𝑐𝑐ℎ ), les courant de
références harmoniques des phases 1et 3 (𝐼𝐼𝑐𝑐ℎ ℎ ), sont les résultats de la différence entre 𝐼𝐼𝑐𝑐ℎ 𝐹𝐹 et 𝐼𝐼𝑐𝑐ℎ .
120
Chapitre IV.
Résultats expérimentaux du filtre actif parallèle
IV.5.2.3.Résultats de la régulation des courants injectés par le FAP et de la régulation de la
tension du bus continue de l’onduleur
Après la connexion du système de compensation au réseau, de telle manière à générer les courants
de référence harmoniques nécessaires à la commande du FAP, les figures ci après montre le
comportement de la commande MLI et la régulation de la tension du bus continue de l’onduleur
FIG. IV.15.Signal régulé 𝑉𝑉𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 sorti régulateur PI
(en rouge) et la porteuse 𝑉𝑉𝑃𝑃 (en bleu)
FIG.IV.16. Ordres de commande MLI
des deux interrupteurs (Phase n° 1)
FIG.IV.17.Courant de référence harmonique 𝐼𝐼 ℎ1 et courant
injecté 𝐼𝐼𝑓𝑓 1 du FAP (Phase n°1)
FIG. IV.18.Tension de référence et tension de bus continue
121
Chapitre IV.
Résultats expérimentaux du filtre actif parallèle
La figure IV.15 nous présente le signal de la porteuse 𝑉𝑉𝑃𝑃 et le signal régulé Vref sorti PI,
appliqués pour généré la commande MLI. La figure IV.16 montre les ordres de commande MLI
expérimentaux haut et bas (couleur bleu et rouge) des deux interrupteurs de la phase n°1, générés
par la commande MLI en passant par les optocoupleurs.
Le suivi des courants de références harmoniques par le FAP est satisfaisant (figure IV.17), le
régulateur PI régule de façon acceptable le courant injecté du filtre, ce qui révèle une commande
correcte. La tension du bus continue 𝑈𝑈𝑐𝑐 figure IV.18 (couleur verte), est effectivement régulée
autour de sa référence (couleur bleu) 𝑈𝑈𝑐𝑐 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 = 558.
Les résultats expérimentaux que nous avons obtenus dans cet essai montrent que le FAP à bien
généré les courants des références harmoniques, aussi le les ondulations de la tension 𝑈𝑈𝑐𝑐 du bus
continue de l’onduleur sont limiter à un seuil acceptable.
IV.5.2.4.Résultats expérimentaux en régime perturbé
Afin de vérifier l'efficacité de compensation du filtre actif en régime transitoire, on applique une
brusque variation de charge de 50% de l’instant t = 6,2 sec jusqu'au l’instant t =15,8 sec. Cette
variation de charge est accomplie en faisant varier la résistance de la charge non linéaire de façon
brutale du 100 ohms à 50 ohms ce qui donne un appel de courant de 2A à 4A. Les résultats sont
présentés ci-dessous (figure IV.19).
FIG. IV.19.Allures du régime transitoire pour le courant de source, courant de charge et tension 𝑈𝑈𝑐𝑐
122
Chapitre IV.
Résultats expérimentaux du filtre actif parallèle
La figure IV.19 comprend les résultats du régime transitoire des courants de source et charge de la
phase n°1 et la tension 𝑈𝑈𝑐𝑐 , ces courbes sont relevées à l’aide du Matlab à travers une carte
d’acquisition de marque Iotech 1005, avec un temps d’échantillonnage de 0,3 µ seconde.
Le régulateur PI régule de façon satisfaisante la tension 𝑈𝑈𝑐𝑐 , mais accuse un léger retard sur le
temps de réglage (temps de recouvrement de 0,5 seconde).
Avant varier la charge, le taux de distorsion harmonique du courant de source 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑖𝑖 est de l'ordre
de 2% et l’amplitude la tension 𝑈𝑈𝑐𝑐 est de 558 v, le moment du régime transitoire les résultats de
simulation obtenus ont montré une légère dégradation du 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑖𝑖 des courants de la source et
l’amplitude de la tension 𝑈𝑈𝑐𝑐 , mais le filtre actif parallèle parvient à retrouver toute sa capacité de
filtrage après le régime transitoire.
IV.6.Conclusion
L’objectif de ce chapitre était la présentation des résultats expérimentaux du filtre actif parallèle
commandé en temps réel en utilisant une commande analogique réalisée par des circuits
électroniques.
Ce FAP permet de compenser les harmoniques de courant générés par des charges non-linéaires,
connectées à un réseau électrique à trois fils. Ce FAP nous permet d’obtenir de bonnes
performances lors de l’estimation des courants de référence en régime permanent et transitoire du
FAP même si les tensions de source contiennent des harmoniques et/ou des petits déséquilibrés.
Nous avons observé que les courant des références harmoniques de la charge sont bien extraites, le
courant produit par le filtre actif suivait effectivement sa référence, la commande MLI est bien
adaptée à ce genre d’application, les résultats obtenus des courants de source après filtrage sont
conforme
aux normes IEEE 519, CEI. 61000-2-2 et CEI.61000-3-2 et donc satisfaisants, ce qui
valide le système réalisé.
Les résultats obtenus dans ce chapitre montrent les résultats d’identification des courant
harmoniques, le suivi des courants de référence par le FAP (allure du courant de référence et
injecté), la commande MLI et montre aussi l’analyse temporelle et spectrale des courants de
source.
La souplesse du modèle réalisé permet facilement l'implantation d’autres systèmes de commande
par les DSP ou par les dsPIC avec diverses topologies de filtre actif ou hybrides (filtre actif et filtre
passif). Il peut éventuellement servir comme
point de départ afin de réaliser le prototypage
efficace, incluant l’identification du réactive et du déséquilibre afin de compensé les perturbations
(harmonique, réactive et de déséquilibre).
123
Conclusion générale
Conclusion générale
Conclusion générale
Ce travail de recherche a été consacré à l’étude théorique et à la validation expérimentale
commandé en temps réel du FAP. Nous avons fait un survol des causes de la pollution harmonique
sur les réseaux, des effets ainsi que des moyens existants qui permettent de minimiser ces effets.
Les normes en vigueur ont été présentées. Ces normes, notamment imposées aux distributeurs
d’énergie, autorisent cependant la génération d’harmoniques dans certaines limites. En outre, le
respect de ces normes motive l’étude et le développement de méthodes efficaces pour dépolluer les
réseaux électriques, comme par exemple les dispositifs de filtrage actif, objets de ce manuscrit.
Il existe une grande variété de configuration pour le filtre actif. Dans ce travail, le filtre actif
parallèle à structure de tension a été étudié.
Ce mémoire traite aussi le dimensionnement du l'ensemble contrôle-commande du filtre actif, que
nous avons scindé en quatre parties :
-Dimensionnement de l’inductance du filtre de sortie et adaptation du tension réseau au tension de
bus continue de l’onduleur.
-Identisation des courants d’harmoniques.
-Régulation du courant injecté par la commande MLI et régulation de la tension du bus continue de
l’onduleur
-Protection de l’onduleur.
L'analyse théorique du FAP nous a permis de définir une approche systématique du
dimensionnement des composants le constituant et d'en définir ses performances dynamiques.
La dernière partie de ce mémoire a été consacré à la réalisation des circuits de commande et
régulation d’un FAP pour l’amélioration de la qualité d’énergie dans un réseau électrique basse
tension, avec comme objectif de maintenir un système de courants triphasé du cote de source
sinusoïdal ou en d’autres termes, découpler les perturbations causées par les charges non linéaire du
réseau amont.
Les résultats expérimentaux nous avons présentés montre que les courants injectés du FAP suivent
parfaitement les courants de références, la tension du bus continue et maintenu constante en régime
permanant, le taux de distorsion harmonique total pour le courant de source est passé de 28 % à 2
%, les résultats obtenus ont été satisfaisants et ont montré l’efficacité du système proposé, les
124
Conclusion générale
performances de compensation en régime permanent respectent les normes : IEEE Std 519, CEI.
61000-2-2 et CEI.61000-3-2.
La mise en œuvre du modèle expérimental du FAP
rendra possible l'étude de divers types
d'algorithmes de commande, de différentes topologies ainsi que l'évaluation de l'efficacité de
compensation de ceux-ci dans des réseaux plus élaborés. De plus, ce modèle pourra servir
éventuellement de point de départ afin de réaliser le prototypage rapide de la carte de contrôle du
filtre actif.
La conception du FAP ouvre la porte à de nombreux autres champs de recherche et développement
Les perspectives de recherche que nous voyons à travers notre travail sur le plan de la commande
en temps réel : nous pouvons utiliser l’outil informatique ou certain processeurs pour améliorer les
performances du FAP tel que les DSP et les dsPIC.
125
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