Mémoire Présenté en vue de l’obtention du Electrotechnique ... ·...

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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE

……………………………………………………………………….……………………………………………………………

N° d’ordre : ….

Série : ….

Mémoire Présenté en vue de l’obtention du

Diplôme de Master en Electrotechnique Option

Electrotechnique

Thème

CONCEPTION ET REALISATION D’UN

CYCLOCONVERTISSEUR MONOPHASE

COMMANDE PAR UNE CARTE ARDUINO

Présenté par:

SARRA GAMACHE

Encadreur:

DR LOUZE LAMRI

Promotion 2013/2014

M INISTERE DE L’ ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA

RECHERCHE SCIENTIFIQUE

UNIVERSITE CONSTANTINE I

FACULTE DES SCIENCES DE LA

TECHNOLOGIE

DEPARTEMENT : ELECTROTECHNIQUE

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Remerciements

Le présent travail a été effectué au sein de laboratoire d’électrotechnique sous la direction

de Monsieur KHEZZAR Abdelmalek, Professeur à l’université Mentouri Constantine 1.

Je tiens à remercier vivement Monsieur A.KHEZZAR pour m'avoir conseillé

et dirigé tout au long de mon projet ainsi que pour ses nombreux conseils avisés lors

de la rédaction de ce mémoire. Qu'il trouve ici ma profonde reconnaissance pour

la confiance qu'il m'a témoignée durant ces L. LOUZE années.

Mes remerciements s'adressent aussi pour Monsieur docteur à l'université de Constantine

d'avoir codirigé cette mémoire. Poincaré, pour avoir accepté de me encadré.

Je suis très reconnaissant également à Monsieur, Ingénieur A.Cherouana

en électronique, pour l'honneur qu'il m'a fait.

Je suis particulièrement reconnaissant à Monsieur K.MESSAOUDI , Docteur à l’université de

constantine, pour l'honneur qu'il m'a fait, en acceptant de juger ce mémoire.

Mes remerciements s’adressent aussi à Monsieur K.NABTI , docteur à l’université de

Constantine pour ces encouragements qui me poussaient toujours vers l’avant.

Je voudrais exprimer mes remerciements à ma chère amis ZAHRA pour son aide et son

soutien moral, sans oublier Fatima, Soumya, Hanane, Asma, Ali, Tahar, Malek, Amine.

Enfin, j'exprimer ma sympathie pour tout le personnel et les étudient de faculté des sciences

de l’ingénieur à Constantine.

Que les collègues du département Electrotechnique et d’automatisme, trouvent ici mes

sincères sentiments de reconnaissance pour les messages d’encouragement et de sympathie

qu’ils m’ont adressés à l’approche de la soutenance.

Dédicace

A ma mère à qui je dois tous ses sacrifices

A la mémoire de mon père que personne n’a pu combler son vide ’

A tous mon frère AYMENE, mes sœurs ‘’ Selma, Asma, Rokia, Hasna, Nedjla, et ma belle fleur Chourouk ‘’

A tous mes amis, et mes collègues

Aux orphelins du monde entier

A tous les musulmans

A tous je dédie cette mémoire

Sommaire

Introduction générale .............................................................................................................................. 1

CHAPITRE I ............................................................................................................................................ 2

GENERALITE SUR LA CONVERSION ALTERNATIVE-ALTERNATIVE ................................................................. 2

1 Introduction ..................................................................................................................................... 3

2 Le thyristor ...................................................................................................................................... 3

2.1 Principe de fonctionnement ..................................................................................................... 4

2.2 Blocage de thyristor ................................................................................................................ 4

2.3 Amorçage du thyristor ............................................................................................................. 5

2.4 Caractéristique et limites de fonctionnement .......................................................................... 6

2.5 Circuit de commande du thyristor ........................................................................................... 7

3 Différents types de commande pour le thyristor ............................................................................. 7

3.1 Amorçage par résistance ......................................................................................................... 7

3.2 Déclenchement via un circuit RC ............................................................................................ 8

3.3 Déclenchement par impulsion ................................................................................................. 8

4 Principe de circuit de commande par impulsion ............................................................................. 8

5 Rôle de transformateur d’impulsion................................................................................................ 9

6 Etude des Cycloconvertisseurs ........................................................................................................ 9

6.1 Principe de fonctionnement –structure de base .................................................................... 10

7 Montages utilisées ......................................................................................................................... 11

7.1 Cycloconvertisseurs d'indice de pulsation égal à 3 .............................................................. 11

7.2 Cycloconvertisseurs d'indice de pulsation égal à 6 .............................................................. 12

8 Applications des cycloconvertisseurs ............................................................................................ 12

9 Conclusion ..................................................................................................................................... 13

CHAPITRE II ......................................................................................................................................... 14

FONCTIONNEMENT ET SIMULATION DU CYCLOCONVERTISSEUR ................................................................. 14

1 Introduction ................................................................................................................................... 15

2 Simulation de redresseur triphasé ................................................................................................. 15

3 Partie commande........................................................................................................................... 15

4 Simulation d’un cycloconvertisseur monophasé .......................................................................... 19

4.1 Partie puissance .................................................................................................................... 19

4.2 Résultats de simulation.......................................................................................................... 20

5 Conclusion ..................................................................................................................................... 22

CHAPITRE III ........................................................................................................................................ 23

REALISATION PRATIQUE ET RESULTATS EXPERIMENTAUX ......................................................................... 23

1 Introduction ................................................................................................................................... 24

2 Description de la carte arduino UNO .......................................................................................... 25

2.1 Ports de communication disponibles sur une carte Arduino-Uno: ....................................... 26

2.2 Architecture interne de l’arduino UNO ................................................................................ 26

3 Description de banc expérimental ................................................................................................. 27

3.1 Carte de puissance ................................................................................................................ 27

3.2 Commande des thyristors ..................................................................................................... 27

3.3 Mise en œuvre du programme de la commande .................................................................... 27

3.4 Dimensionnement thermique et choix des semi-conducteurs ................................................ 28

3.5 Dimensionnement du circuit de commande d’un thyristor.................................................... 28

3.6 Architecture des circuits de commandes ............................................................................... 28

4 Système de commande ................................................................................................................... 29

5 Résultats expérimentaux ................................................................................................................ 31

5.1 Banc d’essai .......................................................................................................................... 32

5.2 Interprétation des résultats ................................................................................................... 36

6 Conclusion ..................................................................................................................................... 36

Conclusion générale .............................................................................................................................. 37

Références ............................................................................................................................................. 38

1

Introduction générale

Les installations industrielles utilisent généralement la tension monophasée ou bien triphasée

sous forme continue ou alternative. La variation de l'amplitude et de la fréquence est assurée

par les convertisseurs de puissance.

Les premiers convertisseurs de puissance électrique ont été réalisés avec des machines

électriques couplées mécaniquement ; une machine à courant alternatif d'une part couplée au

réseau permettait de convertir l'énergie électrique en énergie mécanique à vitesse fixe. D’autre

part une machine à courant continu dont l'excitation commandée permettait de disposer d'une

tension continue variable en sortie.

Le développement des composants de puissance au milieu du 20ème siècle (électronique de

puissance) a permis de développer des convertisseurs de puissance électrique sans machines

tournantes.

A nos jours, la technologie des composants des semi-conducteurs ne cesse d'évoluer :

- un faible coût, les puissances commutées élevées, la facilité de contrôle….

Le travail que nous avons réalisé au sein de laboratoires d’électrotechnique de Constantine a

pour objectif la réalisation d'un convertisseur alternatif-alternatif, à savoir le

cycloconvertisseur monophasé.

Dans le premier chapitre, nous présentons des généralités sur les composants de puissance

utilisée qui est le thyristor, son circuit de commande, les différents types des

cycloconvertisseurs et leurs utilisations.

Le deuxième chapitre présente la simulation du cycloconvertisseur monophasé faisant l'objet

du présent mémoire.

Le troisième chapitre présente les différentes étapes de la réalisation expérimentale ainsi que

les résultats trouvés.

Une conclusion générale vient pour mettre en exergue les points les plus importants à retenir.

2

CHAPITRE I

GENERALITE SUR LA CONVERSION

ALTERNATIVE-ALTERNATIVE

Chapitre I généralité sur la conversion alternative-alternative

3

1 Introduction

Les convertisseurs alternatif-alternatif sont utilisés couramment pour les installations

industrielles, ils sont divisés en deux types :

- les convertisseurs directs

- les convertisseurs indirects

La conversion indirecte se divise en deux conversions successives, d’abord elle effectue le

redressement de la grandeur alternative d’entrée en une grandeur continue ou quasi continue

qui est ensuite convertie en une grandeur alternative de sortie avec une amplitude et/ou une

fréquence variable.

La conversion directe s’effectue en une seule étape car on convertit une grandeur alternative

d’entrée en une grandeur alternative de sortie. L’élément de stockage d’énergie n’est pas

nécessaire. Le convertisseur direct peut être identifié en tant que deux approches topologiques

distinctes. La première est la plus simple topologie peut être employée pour changer

l'amplitude d'une forme d'onde alternative d'entrée, cette topologie s'appelle gradateur. La

seconde peut être utilisée si sa fréquence de sortie est inférieure à sa fréquence d'entrée, cette

topologie s'appelle cycloconvertisseur.

Dans ce travail, nous nous intéressons à la conversion alternative – alternative par

l’utilisation de cycloconvertisseur. Ce chapitre donne l’aspect théorique des

cycloconvertisseurs en commutation naturelle qui permet de faire varier de manière continue

la valeur et la fréquence des tensions de sortie à base des redresseurs commandés en utilisant

des interrupteurs de forte puissance comme le thyristor avec une commande de gâchette par

impulsions.

2 Le thyristor

Le thyristor est un interrupteur de puissance au silicium formé de plusieurs couches, Il est

réversible en tension et supporte des tensions anode/cathode Vak aussi bien positives que

négatives. Il n’est pas réversible en courant (unidirectionnelle en courant) et ne permet que

des courants i positifs, c’est à dire dans le sens anode cathode à l’état passant.

La figure 1.1 représente trois jonctions en série :

Jk : jonction cathode

Jc : jonction de commande

Ja : jonction anode


4

avec quatre couches de dopages alternés et possédant trois électrodes:

• La couche de cathode de type N est mince (autour de 20 µm) et fortement dopée. Elle est

reliée par métallisation à l'électrode de cathode (K en abrégé).

• La couche de commande de type P est mince (autour de 50 µm) et moyennement dopée. Elle

est reliée à l'électrode de gâchette (G en abrégé).

• La couche de blocage de type N est épaisse (autour de 250 µm) et faiblement dopée.

• La couche d'anode de type P est mince (autour de 70 µm) et moyennement dopée. Elle est

reliée par métallisation à l'électrode d'anode (A en abrégé).

Figure I.1. différentes jonctions d’un thyristor

3 Principe de fonctionnement

3.1 Blocage de thyristor

L’une au moins des jonctions PN du thyristor est bloquée :

• Sous une tension inverse : la tension anode/cathode Vak est négative et les deux jonctions Ja

et Jk sont polarisées en inverse ce qui bloquent le courant de fuite à une intensité très faible

en raison des différences de dopage entre les 4 couches PNPN. C’est la jonction d’anode qui

supporte la plus grande partie de la tension inverse.

• Sous une tension directe : la tension anode cathode est positive Vak > 0 et le courant de

gâchette ig est nul ou très faible, le thyristor n’est pas amorcé au préalable.


5

3.2 Amorçage du thyristor

L’amorçage d’un thyristor est obtenu par différents phénomènes physiques, dans tous les cas

l’amorçage rend le thyristor conducteur de l’anode vers la cathode (iak > 0). La tension Vak est

alors faible de l’ordre de quelques dixièmes de volts.

Dans un amorçage par tension : le courant de gâchette à

une intensité ig nulle. Si la tension Vak dépasse une

certaine valeur Vbo toujours élevée, il y a amorçage et

conduction du thyristor.

3.2.1 Fermeture sur résistance

Le montage ci dessous est fait avec une charge purement

inductive, on suppose que pour < 0, on à un courant de

gâchette nul, donc le thyristor est bloqué.

= 0, = 0,et Vak = .

A l’instant = 0, la tension Eg de générateur d’impulsion

est supérieur à Zéro et la jonction Jk devient passante. Le

courant ig augmente brusquement par l’effet de la

décharge capacitive et après il tend vers le régime établit.

La tension Vgt et la tension Vgk croissent progressivement vers une tension de l’ordre 1 à 2

volts de régime passant.

Lorsque la jonction Jk est passante, l'injection des

porteurs va provoquer l'avalanche de la jonction Jc et le

thyristor s'amorce. La tension Vak décroît et le courant Ia

croît; nous avons

3.2.2 Fermeture sur charge inductive

La charge ici est une résistance R en série avec une

inductance L.

Dans ce cas on suppose que pour un instant < 0

le courant ig =0 et la vitesse de croissance de courant va

être limitée par la valeur de l’inductance L.

Si le thyristor s’amorce spontanément, la tension Va diminue rapidement et le courant croit.


6

3.3 Caractéristique et limites de fonctionnement

Le fonctionnement réel est, comme pour une diode, caractérisé par ses deux états :

- à l’état passant, ≈ 0 le courant direct est limité par le courant direct maximal.

- à l’état bloqué, ≈ 0. la tension inverse est limitée (phénomène de claquage par

avalanche) par la tension inverse maximale

Dans le cas de blocage et après l’annulation du courant Iak, la tension V doit devenir négative

pendant un temps au mois égal au temps d’application de tension inverse tq (tq ≈ 100 µs).

Si ce temps n’est pas respecté, le thyristor risque de se réamorcer spontanément dès que V

tend à redevenir positive, même durant un court instant.

Figure I.2. Caractéristique d’un thyristor réel

Figure I.3. Évolution du courant iak ou blocage.


7

3.4 Circuit de commande du thyristor

Le circuit de commande d’un thyristor sert à fournir l’impulsion d’allumage à sa gâchette. Ce

circuit doit avoir les caractéristiques suivantes :

• Fonctionner en source de courant

• Fournir une impulsion de courant d’amplitude supérieure à la valeur minimale exigée

par le constructeur.

• Le temps de montée de l’impulsion de courant doit être très court (inferieur à 1µs)

• La durée de l’impulsion de courant doit être suffisamment longue pour que le courant

d’anode Ia minimal nécessaire eu maintien de thyristor à l’état passant. Dans les

convertisseurs à commutation naturelle la durée de l’impulsion est généralement de

l’ordre de 500µs.

• Obligation de permettre une isolation galvanique entre le circuit de puissance et la partie

de commande.

4 Différents types de commande pour le thyristor

4.1 Amorçage par résistance

Le procédé le plus simple consiste à inclure une résistance entre la gâchette et la source

d'alimentation. La source est alternative on devra rajouter en série avec la résistance une diode

pour éviter d'appliquer sur la gâchette une tension négative importante pendant l'alternance

négative. Cette diode devra évidemment avoir une tension de claquage supérieure à la tension

crête de la source d'alimentation. La valeur de la résistance permet de définir l'instant

d'amorçage, mais puisque la tension appliquée sur la gâchette via cette résistance est en phase

avec la tension d'anode on ne pourra exploiter que la première partie de l'alternance soit entre

0 et 90° comme le montre la figure ci-dessous.

Figure I.4. Principe d’amorçage d’un thyristor


8

4.2 Déclenchement via un circuit RC

Pour aller au delà des 90° il faut pouvoir non seulement définir la tension d'amorçage par le

biais d'une résistance mais assurer la possibilité de déphasage de celle-ci par rapport à la

tension d'anode ce qu'on va réaliser en plaçant un condensateur dans le circuit de gâchette

selon le schéma ci-dessous

Figure I.5. Amorçage d’un thyristor par un circuit RC

4.3 Déclenchement par impulsion

L'inconvénient majeur du montage précédent d'amorçage du thyristor est qu'il nécessite une

puissance non négligeable dans le circuit de commande, c'est ce qui justifie les montages

impulsionnels qui outre l'élimination de ces puissances indésirables se prêtent bien aux

contrôles automatisés. L'amorçage par impulsion permet d'envoyer d'une manière brutale un

courant de gâchette supérieur à celui provoquant l'amorçage ce qui va avoir comme

conséquence de réduire le temps d'établissement du courant dans le circuit principal et donc

d'assurer un contrôle plus précis de la durée de la phase de conduction du thyristor.

5 Principe de circuit de commande par impulsion

La Figure I.6 montre le schéma de principe d’un circuit de commande de la gâchette d’un

thyristor. Il est constituée d’un amplificateur et d’un transformateur d’impulsion d’isolation.

Le signal transféré par le générateur d’impulsions et amplifié à l’aide du transistor T et

transmis à la gâchette du thyristor Th par l’intermédiaire du transformateur d’impulsions Tr

qui assure l’isolement galvanique et la régulation de tension de coté secondaire. Pour = 1 le

transistor est saturé et pour = 0 le transistor est bloqué.


9

La diode zener Dz en série avec la diode D1 joue un rôle très important dans ce circuit elle

sert de démagnétiser le transformateur d’impulsion Tr et réduit les surtensions aux bornes du

transistor T lors de son blocage.

La diode D2 montée au secondaire du Tr sert au blocage de l’impulsion négative produite lors

du blocage de transistor T. La résistance Rg’ ferme le circuit du thyristor et protége le

thyristor Th sur les réamorçages indésirables.

Figure I.6 : structure de circuit de commande de gâchette d'un thyristor

6 Rôle de transformateur d’impulsion

Le transformateur d’impulsions est un transformateur de petite puissance, ayant la plupart du

temps un rapport de transformation unitaire, sa fonction principale est l’isolement galvanique,

son avantage est de transmet l’information et son énergie, fonctionnement possible à

fréquence élevée, simplification du montage, possibilité de fournir un courant important,

bonne tenue en tension. L’inconvénient de se transformateur est de transmet que des signaux

impulsionnels.

7 Etude des Cycloconvertisseurs

Les Cycloconvertisseurs sont des variateurs de fréquence, se sont des dispositifs fonctionnant

en commutation naturelle. Les cycloconvertisseurs ne constituent donc qu'une partie de

l'ensemble des convertisseurs directs de fréquence, qui comprennent également les

multiplicateurs de fréquence. Le Cycloconvertisseur permet de varier la valeur et la fréquence


10

des tensions de sortie d’une manière continue. Généralement la fréquence de sortie est

nettement inferieure à la fréquence d’entrée.

7.1 Principe de fonctionnement –structure de base

Les tensions de sortie sont élaborées à partir de portions de sinusoïdes du réseau

d'alimentation, un découpage adéquat permettant d'obtenir des signaux ayant une fréquence et

une amplitude déterminées tout en présentant un taux d'harmoniques raisonnable. Ainsi, par

exemple, à partir d'un réseau triphasé de fréquence f0, on peut créer un signal de fréquence

f0/6 comme le présente la Figure 1.7.

Figure I.7 : Forme d’onde crée par un cycloconvertisseur

La structure de base d’un cycloconvertisseur est basée sur des montages redresseurs (en effet,

il suffit de moduler l'angle de retard à l'amorçage au rythme de la basse fréquence pour

obtenir à la sortie des montages une forme de tension analogue à celle représentée ci-dessus).

Il est composé de deux phases, chaque phase est constituée par un groupement en parallèle

inverse de deux redresseurs (Fig 1.8), débitant Chacun une alternance de sortie donc on peut

dire que les cycloconvertisseurs sont des montages forcement réversibles.


11

Figure I.8 : Schéma de base de fonctionnement d'un Cycloconvertisseur

8 Montages utilisées

Les cycloconvertisseurs se classent en fonction de leur indice de pulsation, qui correspond,

comme pour les montages redresseurs au nombre de commutations produisant au cours d'une

période du réseau d'alimentation. L'élaboration de signaux à faible taux d'harmoniques est

d'autant plus facile que cet indice est plus élevé, mais comme le nombre de thyristors

augmente également en proportion, les réalisations se rangent essentiellement dans l'une des

deux catégories suivantes:

8.1 Cycloconvertisseurs d'indice de pulsation égal à 3

Comme indiqué la Figure I.9, ils sont constitués par des associations de redresseurs de type

P3. Les inductances dont le rôle est de limiter l'amplitude des courants de circulation, peuvent

évidemment être supprimées si on n'utilise pas ce mode de fonctionnement.

Figure I.9 : Cycloconvertisseurs d'indice de pulsation égal à 3

Redresseur positif Redresseur négatif


12

8.2 Cycloconvertisseurs d'indice de pulsation égal à 6

Ce sont les dispositifs les plus couramment utilisés. Plusieurs schémas sont possibles. Nous

ne citerons ici que le montage de base, constitué de redresseurs de type PD3 (Figure I.10).

Nous signalant simplement qu'il n'est utilisable que lorsque la charge est effectivement

constituée de trois éléments indépendants en triphasé.

Figure I.10 : Cycloconvertisseur monophasé

Figure I.11: Cycloconvertisseur triphasé

9 Applications des cycloconvertisseurs

On retrouve les cycloconvertisseurs comme des variateurs de vitesse pour les moteurs

synchrones et asynchrone de forte puissance, les machines de 1.5MW et plus et tournant à

des vitesses très lentes.

A titre d’exemple les cycloconvertisseurs sont appliqués pour les moteurs des machines

d’extraction minière, les moteurs d’entrainement des broyeurs à ciment, les moteurs à

propulsion des navires.


13

Les bases fréquence générées par le cycloconvertisseur permettent de commander des

moteurs synchrones tournant à très basses vitesses.

Les cycloconvertisseurs possèdent une autre application, ils permettent d’alimenter une

charge monophasée à partir d’un système triphasé sans déséquilibrer les courants dans les

trois lignes.

Les cycloconvertisseurs peuvent être employés aussi dans les domaines suivants:

• Transposition de la fréquence d'une source

• Génération de puissance réactive

• Connexion de deux réseaux de fréquence différente

10 Conclusion

Nous avons vu dans ce chapitre le principe de fonctionnement, le circuit de commande de thyristor et

les principaux types d’amorçage, leurs principes de fonctionnement et ainsi leurs domaines

d'application.

14

CHAPITRE II

FONCTIONNEMENT ET SIMULATION DU

CYCLOCONVERTISSEUR

chapitre II fonctionnement et simulation de cycloconvertisseur monophasé

15

1 Introduction

Le redresseur commandé permet d’obtenir à partir d’une source alternative, un courant

unidirectionnel aux valeurs moyenne et efficace réglables alimentant une charge continue.

Dans certaines conditions, un redresseur commandé peut envoyer de l’énergie d’une source

continue à une source alternative. Ces montages redresseurs sont utilisés pour la réalisation

des cycloconvertisseurs qui sont utilisés comme des variateurs de fréquence, et de vitesse des

machines à courant alternative, où ils fonctionnent en commutation naturelle pour obtenir des

tensions alternative variable en sortie.

Donc le présent chapitre se focalise en premier temps sur la simulation du redresseur triphasé

afin de passer en deuxième temps à la simulation du fonctionnement d’un cycloconvertisseur

monophasé en profitant des facilités offertes par le logiciel MATLAB/SIMULINK.

2 Simulation de redresseur triphasé

3 Partie commande

Le principe de commande de redresseurs triphasé commandé est de synchroniser les

impulsions de gâchettes des thyristors avec le réseau d’alimentation, les thyristors

fonctionnent de manière complémentaire avec un décalage entre eux de 120 °.

Le Figure II.1 représente un schéma bloc illustrant le principe de la commande et de la

synchronisation des impulsions des thyristors avec le réseau d’alimentation triphasé. On doit

détecter le front montant de la première phase pour générer des signaux carrés. Un circuit

intégrateur génère un signal de dent de scie à partir du signal carré.

Une comparaison entre le signal de référence avec le signal du dent de scie permet de générer

les signaux de commande (Figures II.2 et II.3).

chapitre II

Figure II.1:Schéma bloc d

Figure II.2:Principe de synchronisation des impulsions de redresseurs triphasé

fonctionnement et simulation de cycloconvertisseur monophasé

chéma bloc du modèle de génération des impulsions de redresseur triphasé

rincipe de synchronisation des impulsions de redresseurs triphasé

simulation de cycloconvertisseur monophasé

16

modèle de génération des impulsions de redresseur triphasé

rincipe de synchronisation des impulsions de redresseurs triphasé


17

Figure II.3: Les impulsions de commande des gâchettes des thyristors

chapitre II

2.2. Partie puissance

La Figure II.4 illustre le mont

redresseur sous le logiciel Simulink

Figure II.

2.3. Résultats de simulation

Sur la Figures II.5 et II.6 donnent les allures de tension redressée obtenue pour différents

angles d'amorçage. Les paramètres de simulation utilisées

et = 220√2

• Pour α=0°

Figure II.5 : Forme d'onde de tension aux bornes la charge d


La Figure II.4 illustre le montage du redresseur triphasé utilisé pour la simulation du

Simulink pour une charge purement résistive.

4 : Schéma de puissance d’un redresseur triphasé

Résultats de simulation

gures II.5 et II.6 donnent les allures de tension redressée obtenue pour différents

angles d'amorçage. Les paramètres de simulation utilisées : 10Ω,

orme d'onde de tension aux bornes la charge du


18

age du redresseur triphasé utilisé pour la simulation du

redresseur triphasé

gures II.5 et II.6 donnent les allures de tension redressée obtenue pour différents

2Ω , 0.04

u redresseur

chapitre II

• Pour α=30°

Figure II.6 : Forme d'onde de tension aux bornes la charge d

4 Simulation d’un cycloco

4.1 Partie puissance

Au niveau de la structure, on retrouve le schéma de base des montages redresseurs

redresseur positif et un autre négatif alimenté

moduler l'angle de retard à l'amorçag

des montages une forme de tension analogue d’une sinusoïde

Figure II.7 : schéma de principe de cycloconvertisseur monophasé

Les impulsions de commande des gâchettes des deux redresseurs tripha

angle de retard nul est représenté sur la figure suivante


orme d'onde de tension aux bornes la charge du

Simulation d’un cycloconvertisseur monophasé

Au niveau de la structure, on retrouve le schéma de base des montages redresseurs

redresseur positif et un autre négatif alimentés par le même réseau (en effet, il suffit de

moduler l'angle de retard à l'amorçage au rythme de la basse fréquence pour obtenir à la sortie

des montages une forme de tension analogue d’une sinusoïde).

.7 : schéma de principe de cycloconvertisseur monophasé

Les impulsions de commande des gâchettes des deux redresseurs triphasés en pont

représenté sur la figure suivante :


19

u redresseur

Au niveau de la structure, on retrouve le schéma de base des montages redresseurs : un

par le même réseau (en effet, il suffit de

e au rythme de la basse fréquence pour obtenir à la sortie

.7 : schéma de principe de cycloconvertisseur monophasé

sés en pont pour un


20

Figure II.8 : Stratégie de commande des gâchettes d’un cycloconvertisseur monophasé

4.2 Résultats de simulation

Les Figures II.9 à II.13 présentent les résultats de simulation d'un cycloconvertisseur

monophasé pour des charges R et RL.

Les paramètres de simulation sont : 10Ω , = 2Ω , = 0.04 et = 220√2

Figure II.5 : tension aux bornes de la charge du cycloconvertisseur monophasé

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20

0.2

0.4

0.6

0.8

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0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20

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temps(s)

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2-600

-400

-200

0

200

400

600

la t

ensi

on a

ux b

orne

la c

harg

e

temps(s)


21

- Pour une charge inductive Charge RL (R=2KΩ, L=0.04H)

Figure 2.6 : La tension aux bornes la charge RL

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2-600

-400

-200

0

200

400

600

la t

ensi

on a

ux b

orne

la c

harg

e R

L

temps(s)

Figure 2.8 : le courant de la charge RL 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

le c

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RL

temps(s)

Figure 2.7:Le courant de charge


22

R=2KΩ et L=0.04H

R=20Ω et L=0.04H

Figure II.9 : la tension aux bornes la charge RL Figure II.10: le courant de la charge RL

• Interprétation

Grace à la simulation, sous MATLAB nous pouvons observer d’après les résultats obtenus

que la forme de la tension aux bornes de la charge est plus proche d’une sinusoïde

Pour une charge inductive on remarque que la forme du courant de la charge est moins

ondulée quand la valeur de la résistance et l’inductance diminue.

5 Conclusion

Le présent chapitre a permis de proposer une méthode de commande d’un cycloconvertisseur

sous MATLAB, le schéma fonctionnel du modèle de simulation peut faciliter l'étude du

fonctionnement du convertisseur statique objet d’étude.

Les formes d’onde des grandeurs électrique tension et courant affectés par l’angle de retard à

l’amorçage de chaque thyristor sont généralement peu ondulées.

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2-600

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-200

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400

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RL

temps(s)0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2

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23

CHAPITRE III

REALISATION PRATIQUE ET RESULTATS

EXPERIMENTAUX

Chapitre III Réalisation pratique et résultats expérimentaux

24

1 Introduction

Afin de valider expérimentalement la stratégie de commande d'un cycloconvertisseur testé

par la simulation numérique sous MATLAB dans le chapitre président, nous les

implémentons sur une carte arduino.

Nous décrivons dans un premier temps d’une manière générale la carte arduino utilisée

puis nous présenterons le dispositif expérimental mis au point et ses principales

caractéristiques.

Dans la seconde partie nous présenterons le dispositif expérimental et ses principaux

constituants à savoir :

- Le circuit de commande d’une gâchette d’un thyristor.

- Le circuit de puissance muni de sa protection.

- La synchronisation avec le réseau d’alimentation.

Apres la description de la partie matérielle, nous passerons à la partie logicielle en

expliquant la stratégie de commande implémentée numériquement sur la carte arduino.

Finalement nous présenterons et les résultats expérimentaux de la réalisation pratique

de cycloconvertisseur avec leur analyse.

III)-2. Définition d'une carte Arduino

La carte Arduino est une plaquette électronique que l'on peut

connecter par un port USB à un ordinateur afin de charger le

programme code sur le microcontrôleur qui s'y trouve.

C’est une carte d’interface programmable capable de piloter des

capteurs et des actionneurs afin de simuler ou créer des systèmes automatisés.

Un microcontrôleur est un processeur de petite taille qui fournit des entrées et sorties

analogiques et qui fonctionnent selon le programme que l'on aura enregistré dessus [1].

Il existe plusieurs variétés de cartes arduino UNO, MEGA, DUO...etc.


25

2 Description de la carte arduino UNO

Le modèle UNO de la société ARDUINO est une carte électronique dont le cœur est un

microcontrôleur ATMEL de référence ATMega328 qui est un microcontrôleur 8bits de la

famille AVR dont la programmation peut être réalisée en langage C [2].

L'intérêt principal des cartes ARDUINO est leur facilite de mise en œuvre. ARDUINO

fournit un environnement de développement s'appuyant sur des outils open source.

Le chargement du programme dans la mémoire du microcontrôleur se fait de façon très

simple par port USB. En outre, des bibliothèques de fonctions "clé en main" sont également

fournies pour l'exploitation d'entrées-sorties courantes : gestion des E/S TOR, gestion des

convertisseurs ADC, génération de signaux PWM, exploitation de bus TWI/I2C, exploitation

de servomoteurs ...

Figure III.11: présentation de la carte Arduino UNO [3]


26

2.1 Ports de communication disponibles sur une carte Arduino-Uno:

La carte Arduino communique avec le monde réel grâce à ses propriétés d'acquisition des

signaux analogiques, envoi des signaux numériques qui peuvent être exploités par d'autres

applications.

La carte arduino et programme par Le logiciel arduino qui permet d’écrire un programme,

de le transférer dans la carte (téléverser) et communiquer avec elle.

Les instructions sont proches du langage C/C++. Afin de les rendre plus digestes, nous

utiliserons des fonctions francisées.

2.2 Architecture interne de l’arduino UNO

Les signaux d'entrée-sortie du microcontrôleur sont relies a des connecteurs selon le schéma

ci-dessous

Figure III.12:architecture interne de la carte Arduino-UNO[4]

III)-6. Travail réalisé:

Notre travail consiste d'abord à réaliser un pont redresseur triphasé commandé en premier

lieu, puis la réalisation d'un cycloconvertisseur monophasé. Le convertisseur statique ainsi

réalisé sera par la suite commandé et géré par une carte Arduino de type UNO.


27

3 Description de banc expérimental

Le banc expérimental est constitué des éléments suivants :

- Convertisseur de puissance

- Commande du redresseur

- Carte d’alimentation auxiliaire

- La carte arduino UNO

3.1 Carte de puissance

Le circuit de puissance contient 12 thyristors ,6 montés en pont triphasé pour le

redresseur positif et 6 autres montés également en pont pour le deuxième redresseur négatif,

l’utilisation de telle composants rapides dans ce convertisseur introduit des surtensions qui

sont dues principalement à la présence inévitable d’inductances parasites.

Ces surtensions qui apparaissent entre l’anode et la cathode du thyristor provoquent un

risque de destruction du composant. Pour remédier à ce risque le circuit de commande du

thyristor est protégé par la résistance Rg’.

3.2 Commande des thyristors

Les signaux de commande proviennent des sorties numériques du module carte Arduino.

Se sont des signaux logiques de faible niveau de courant qui n’est pas suffisant pour amorcer

le thyristor. Pour cela on doit isoler la faible tension de carte arduino de la haute tension de

l’anode du thyristor par un circuit de commande d’isolement galvanique, ce dernier comprend

plusieurs étages :

- Un étage transistor sert à la mise en forme des signaux de commande et de

l’amplification de courant de commande.

- Un étage transformateur d’impulsion qui assure l’isolation galvanique entre le circuit

de puissance et le circuit de commande.

- Une résistance de protection contre les surtensions, montée en parallèle avec le

thyristor.

3.3 Mise en œuvre du programme de la commande

Le programme de commande d’un redresseur triphasé est basé sur deux modules :

Le module d’initialisation et le module d’interruption.

Le premier est exécuté une seul fois au début de programme, le deuxième est une boucle

d’attente des interruptions pour la commande en temps réel.


28

L’exécution immédiate du module d’interruption est prise en charge lors de l’arrivée

d’interruption qui est conditionnée par l’arrivée du front montant du signale numérique

externe et qui représente la synchronisation du réseau d’alimentation avec le temps d’envoi

des impulsions du retard à l’amorçage de chaque thyristor.

3.4 Dimensionnement thermique et choix des semi-conducteurs

La première étape du dimensionnement passe par le choix des interrupteurs de puissance.

Ce dernier repose sur deux aspects qui déterminent le calibre à adopter : le courant qui le

traverse et la tension que ces derniers doivent maintenir.

En fonction des différentes topologies du bras du redresseur, les interrupteurs de

puissance ne seront pas soumis aux mêmes contraintes de tension : les semi-conducteurs des

redresseurs doivent supportés une forte puissance, une tension élevée avec un fort courant

d’alimentation pour cela nous allons choisir des thyristors qui répondent à ces conditions.

3.5 Dimensionnement du circuit de commande d’un thyristor

Pour dimensionner le circuit, nous devons :

- relever les caractéristiques du thyristor

- choisir le transformateur en fonction du courant à fournir

- choisir la tension d'alimentation et le mode de commande

- Calcul des composants associés

3.6 Architecture des circuits de commandes

L’entrelacement de l’architecture des circuits de commande présente un très grand nombre

d’avantages d’un point de vue volume et rendement, mais une électronique de commande

inadaptée peut faire perdre le bénéfice de tous ces avantages. Une grande quantité des semi-

conducteurs implique un grand nombre de commandes.

Dans la plupart des convertisseurs de puissance, les composants de puissance Thyristor,

MOSFET et IGBT, sont pilotés par des commandes rapprochées. Celles-ci doivent assurer

plusieurs fonctions :

- La commande des instants de commutations (PWM)

- L’alimentation de la gâchette (grille) du composant de puissance.


29

Le problème de ce type d’architecture réside dans l’isolation galvanique de toutes ces

fonctions. La position du semi-conducteur impose souvent des potentiels flottants, et la il doit

souvent être isolé galvaniquement du reste des circuits de commande.

Diverses solutions permettent l’isolement entre les différents étages tels que l’opto-isolation

pour de simples signaux de contrôle. Dans notre circuit de commande on doit assurer cette

isolation par un transformateur d’impulsions.

La carte de commande réalisée pour un redresseur triphasé (Figure 15) est composée d’une

carte arduino, 6 opto-coupleur ,6 transistors bipolaire de type NPN, des diodes et diodes ziner,

6 Transformateurs d’impulsions, et des résistances de protection et de limitation de courant

pour les différents composants.

4 Système de commande

Les circuits de commandes intègrent plusieurs fonctions telles que la protection contre les

surintensités et la surveillance thermique des composants semi-conducteurs.

Nous avons choisi d’utiliser une carte arduino pour les grandes possibilités que ces

composants offrent ainsi que le grand nombre d’entrées sorties disponibles. L’arduino choisie

est l’UNO.

Le signal rectangulaire de commande envoyé par la carte arduino vers la base de transistor

bipolaire de type NPN via un opto-coupleur pour l'isolé et protégé au même temps la carte

Arduino.

Le transformateur d’impulsions est alimenté sous 5V, lorsque le transistor est saturé la

sortie du carte arduino délivre un signal rectangulaire de rapport cyclique ½, d’amplitude 10V

et de fréquence 50Hz. Ce signal est synchronisé avec le réseau d’alimentation du redresseur

commandé après un retard réglable par rapport au passage par zéro de la source de tension

triphasée .Bien que chaque thyristor reçoit un signale de commande de gâchette avec un angle

de retard à l’amorçage réglable par un potentiomètre .chaque thyristor ne conduit que lorsque

sa tension anode-cathode est positive.


30

Figure III.13:la forme d'impulsion de gâchette

Figure III.14:la tension entre la base et l'émetteur Vbe de transistor


31

Figure III.15:circuit de convertisseur réalisé

5 Résultats expérimentaux

Les essais expérimentaux sont réalisés au laboratoire de LEC de département

d’électrotechnique, suivant les étapes déjà présenté dans ce chapitre, les paramètres de circuit

électrique et de commande sont donnés par le tableau :

Tension de ligne 120V

Charge résistive 650Ω

Tableau 1:paramètre banc expérimental


32

5.1 Banc d’essai

La figure représenté le schéma d’implantation et la mise en ouvre de la carte arduino.

La commande des interrupteurs de redresseur à MLI est effectuée par la carte arduino et la

carte de commandes des thyristors.

La programmation de la carte arduino s’appuie sur le logiciel « arduino » dédie à fin

d’optimiser l’ensemble des taches de fonctionnement et de communication

arduino/convertisseur/charge.

Figure III.16 : Schéma symptomatique de bac d’essai expérimental

Bloc de

synchronisation

avec le réseau

Commande de

redresseur

Rectifier Load


33

Figure III.17:le banc expérimental

Le banc de test du prototype est composé d’une source d’alimentation en tension

Alternative triphasé (400V/3A) ainsi que de charges résistives (650Ω/2A). Les essais se

portent essentiellement sur la forme de tension de sortie et sur le rendement du convertisseur.

La source alternative est limitée à 3A.

Dans un premier temps, les tests expérimentaux sont obtenus avec une charge résistive.

L’allure de la tension de sortie de redresseur est représentée sur la figure suivante avec des

angles de retard à l’amorçage des thyristors égaux à 0.


34

Figure III.18:l'allure de la tension aux borne la charge R

Figure III.19:l'allure de tension de sortie de redresseur avec un angle de retard égale à 60°


35

Figure III.20:l'allure de la tension de sortie de redresseur pour α =30°

Figure III.21:l'allure d’alternance positive de cycloconvertisseur


36

5.2 Interprétation des résultats

La figure III.18, III.9 et III.20 montrent la tension de sortie de notre redresseur triphasé commandé

Tous thyristors, ces formes de tension de sortie typique est bien connu, ce sont les mêmes résultats de

simulation sous MATLAB pour déférents angle d’amorçage (α=0°, α=30°, α=60°)

La figure III.21 montre l’onde positive de la tension de sortie de cycloconvertisseur.

6 Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons représenté d’une façon générale une description de la carte

arduino UNO, ainsi que le principe de réalisation de notre convertisseur avec la représentation

de Banc expérimentale.

Les résultats obtenus expérimentalement sont conforme aux objectifs fixés par la théorie

à savoir :

- Obtenir une tension de sortie proche de la forme sinusoïdale.

Ces résultats permettent de valider une comparaison des résultats de simulation du

chapitre précédent et de valider également l’étude théorique.

37

Conclusion générale

Ce travail, permis à nous de réaliser les différentes partie de redresseur qui est partie du

cycloconvertisseur.

Tout d’abord nous avons commencé par la partie simulation qui représente une tache

importante avant de passé à la pratique, ou nous avons simulé notre cycloconvertisseur

monophasé sous Matlab/Simulink afin de vérifier le fonctionnement comme un variateur de

fréquence.

Après nous avons allé à la partie pratique, qui a permis nous réaliser pratiquement touts les

dispositifs de redresseur qui sont les mêmes pour le cycloconvertisseur. Pour l’instant, on a la

chance de réaliser l’alternance positive, mais ce n’est pas un problème, parce que, on inverse

le même circuit qui nous permet de réaliser l’alternance positive.

A la fin, nous sentons vraiment que ce PFE nous a donné beaucoup de choses, en électronique

pratique, en programmation d’Arduino et en l’utilisation des logiciels de simulation avancées.

Nous espérons que ce dispositif sera utilisé et amélioré jusqu’à l’obtention d’un produit final

étudier.

38

Références

[1]. « Arduino Arduino » software.booki.cc/2011

[2]. B. Cottenceau B311 ISTIA ‘Carte ARDUINO UNO Microcontrôleur ATMega328’

[3]. fr.flossmanuals.net/arduino/index

[4]. M. Russeil ‘ARDUINO MODULES ET FONCTIONS’/2013

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