Redresseur MLI Triphas de Tension

1. INTRODUCTIONLaccroissement des quipements lectriques utilisant des convertisseurs statiques de type redresseur a connu un essor important aussi bien sur le plan industriel que domestique. Cest ainsi que le rseau de distribution BT est le sige de perturbations importantes que le distributeur a du mal enrayer. Sans prcautions particulires, ces convertisseurs sont polluants et absorbent des courants harmoniques qui ne sont pas sans effets sur londe de tension dlivre. Devant ce constat, il apparat important de dvelopper sur le plan industriel des dispositifs de filtrage actif au niveau curatif et une dmarche prventive afin de concevoir des alimentations non-polluantes, cest--dire dotes dune structure et dun dispositif de commande rendant le courant prlev le plus sinusodal possible.Dans ce contexte et depuis une dizaine dannes, des convertisseurs statiques nonpolluants facteur de puissance lev ont commenc apparatre sur le march concernant surtout la conversion AC/DC. En effet, des changements ont t apports sur les ponts redresseurs conventionnels modifiant leur structure ou leur systme de commande afin de rduire leur injection de courants harmoniques dans le rseau. Ces nouveaux convertisseurs AC/DC se distinguent par leur structure et par la manire de grer les courants absorbs, ils sont rpertoris sous lappellation de redresseurs absorption de courant sinusodal. Parmi ces structures, les plus rpandues et les plus attractives se trouvent le redresseur MLI. Il est caractris par un comportement quasi rsistif vis--vis du rseau dalimentation.Outre sa capacit contrler les courants absorbs et fonctionner avec un facteur de puissance proche de lunit, le redresseur MLI peut galement oprer sous deux modes : redressement et rgnration. Il contrle ainsi lcoulement de puissance active et ractive dans les deux directions. Cet avantage lui permet dtre exploit dans de multiples applications, plus particulirement celles fonctionnant frquemment en mode de rgnration et ncessitant le contrle de flux de puissance bidirectionnel (entranements vitesse variables par exemple). Ce convertisseur constitue actuellement un thme de recherche cl pour les spcialistes du domaine. Les recherches effectues portent principalement sur les stratgies de commande surtout celles dites avances (prdictive, floue, rseaux de neurones,..etc.) ainsi que sur le choix et le dimensionnement du filtre dentre.Dans un redresseur MLI triphas absorption de courant sinusodal, la partie la plus importante et la plus dlicate dans le contrle du systme global est la boucle de courant. Les performances de contrle du courant dterminant les prestations du systme global. Au cours de ces dernires annes, un intrt particulier a t port ltude des stratgies de contrle qui offrent de bonnes performances en termes de rapidit, de prcision et de robustesse. De nombreuses mthodes de contrle ont t proposes ; la plupart de celles-ci peuvent tre classes dans un des trois groupes : contrle par hystrsis, contrle indirect, contrle prdictif. Le contrle par hystrsis classique est simple et bon march. Comme caractristiques avantageuses, il prsente une bonne rapidit et une bonne robustesse (sa stabilit ne dpend pas des paramtres du systme). Son plus grand inconvnient est que les variations de la frquence de commutation peuvent produire une augmentation des pertes par commutation (hautes frquences de commutation) et la non limination de quelques harmoniques dordre bas (basses frquences de commutation). Diverses modifications ont t proposes pour travailler frquence de commutation constante, mais pour inconvnients une perte de simplicit et de robustesse ainsi que la ncessit de disposer dune bonne connaissance des paramtres du systme. Dans le cadre de cette problmatique de recherche sur le fonctionnement frquence de commutation constante des convertisseurs de puissance, sattache tudier deux techniques de commande avances appliques au redresseur MLI ; ont pour rle dapporter une modification sur la bande de contrle par hystrsis et pour objectif dassurer une frquence de commutation stable afin damliorer les performances du redresseur MLI. A cet effet, aprs lexposition du principe de fonctionnement du redresseur MLI avec sa commande par hystrsis classique, nous allons introduire dans un premier temps la technique Dead-Beat hystrsis dj dveloppe au chapitre 2 pour le FAP et dans un second temps une nouvelle technique base sur la logique floue. Les performances du redresseur MLI oprant avec facteur de puissanceunitaire et frquence de commutation constante avec ces deux techniques intelligentes seront vrifies par simulation numrique laide du logiciel Matlab/Simulink.2. PRINCIPE DU REDRESSEUR MLI TRIPHASE DE TENSION2.1. Schma de la Partie Puissance du Redresseur MLI Triphas de TensionLe redresseur MLI est simplement un onduleur de tension utilis lenvers permet de produire une tension continue partir dun rseau alternatif (comme un redresseur diodes), mais en absorption sinusodale de courant, donc facteur de puissance unitaire . Il est construit base des composants semi-conducteurs bidirectionnels (conduisant le courant dans les deux directions grce aux diodes en antiparallles) et commands louverture et la fermeture, tels que les IGBTs pour de petites puissances et moyennes puissances ou les GTOs pour les grandes puissances. Il est associ gnralement deux tages passifs lun du ct continu et lautre du ct alternatif. Ltage passif du ct alternatif, a comme fonction principale le filtrage. Celui du ct continu a une double fonction, le stockage dnergie et le filtrage de la tension continue, cest des condensateurs qui assurent ces fonctionnalits. La figure 1 montre le schma du redresseur MLI triphas de tension sur lequel est base notre tude.

Figure 1. Circuit de puissance du redresseur MLI triphas de tension.Outre labsorption de courant sinusodal et le fonctionnement avec un facteur de puissance proche de lunit, le redresseur MLI peut aussi fonctionner dans deux types de mode : redressement et rgnration (fourniture de la puissance active au rseau). Cet avantage provient de sa capacit contrler lcoulement de puissance active et ractive dans les deux directions sur un large spectre harmonique. Pour cette raison, le redresseur MLI est prfr pour les applications fonctionnant frquemment en mode de rgnration, telles que les entranements lectriques surtout courant alternatif o le redresseur fait partie du variateur de vitesse (convertisseur de frquence). Il est aussi mis en oeuvre pour alimenter en tension continue dautres types de charges. La seule contrainte du redresseur MLI rside dans le nombre dinterrupteurs de puissance utiliss (six interrupteurs avec diodes en antiparallles) et la complexit des stratgies de commande. Cependant, lvolution technologique rapide et la dcroissance progressive du cot dans le domaine des systmes de commande (DSP et microcontrleurs) et des composants semi-conducteurs de puissance sont des facteurs favorables et incitatifs. En effet, une frquence de commutation autour de 5 KHz permet au convertisseur dtre exploit avec une puissance de quelques MW. De plus, une frquence dchantillonnage suppose gale la frquence de commutation est suffisante pour limplantation des stratgies de commande hautement performantes.2.2. Note sur le Choix des Elments Passifs de FiltrageLa rversibilit en courant de londuleur de tension autorise son fonctionnement en redresseur MLI. La structure de ce dernier associ un filtre Ls dentre, illustre sur la figure 1, est alors celle de londuleur de tension o le ct continu constitu de deux condensateurs. Afin de respecter les rgles dinterconnexion des sources, lentre est une source de courant car ce convertisseur nest constitu que dinterrupteurs semi-conducteurs. De plus, la prsence des inductances de couplage est indispensable pour assurer le contrle des courants absorbs par le redresseur. En effet, quelque soit la technique utilise pour gnrer les ordres de commande (S1, S2 et S3), le redresseur peut imposer, de manire indirecte, la forme du courant dans ces inductances en contrlant les tensions va, vb, vc mesures par rapport au neutre du rseau. En dautres termes, la variation du courant prlev dfinie par dis/dt, en considrant la rsistance srie interne "rs" ngligeable, est impose par la tension applique aux bornes des inductances. Les inductances se comportent aussi comme un filtre passe bas et limitent londulation du courant la frquence de commutation. Lefficacit et les performances du pont redresseur MLI dpendent de plusieurs paramtres, en loccurrence le choix des lments passifs de filtrage qui lui sont associs, savoir linductance de couplage Ls et le condensateur du bus continu Cdc. Ces deux lments jouent un rle crucial, en rgime permanent et transitoire, pour obtenir un bon amortissement des oscillations des courants prlevs sur le rseau et une tension du bus continu avec une ondulation rsiduelle limite.Inductances de couplage : les inductances de couplage jouent le rle de filtre passe bas et limitent londulation du courant la frquence de commutation. Pour cette raison, le calcul de linductance fait intervenir les paramtres classiques qui sont : la frquence de commutation, londulation maximale admissible du courant la traversant et la tension applique ses bornes.Condensateur de sortie : la valeur du condensateur de sortie doit tre calcule de faon limiter les variations de la tension du bus continu. Ces variations peuvent tre dcomposes en trois catgories:- Ondulations hautes frquences : en effet le condensateur doit absorber les harmoniques de courant dus au fonctionnement en commutation du redresseur et ventuellement de la charge.- Ondulations basses frquences : des dsquilibres au niveau de la tension dentre provoquent une puissance dentre fluctuante qui doit tre absorbe par le condensateur.Lamplitude de ces ondulations de tension est donc fonction de la valeur du dsquilibre et du condensateur.- Transitoires de la charge : au cours dune variation brutale de la charge, pendant le temps de rponse de la boucle externe de tension, cest le condensateur qui doit fournir ou absorber transitoirement lnergie demande au prix dune variation de la tension ses bornes. Ce dernier critre fait intervenir la bande passante de la boucle de tension qui est au maximum dune dizaine de Hz pour un rseau 50 Hz ; cest donc une boucle relativement lente au regard des boucles de courant. Le calcul du condensateur tabli selon ce critre savre donc contraignant et satisfait indirectement les critres prcdents.2.3. Systmes dEquations

A partir du schma de la figure 1, on peut dduire les quations du systme :

(1)

Les tensions de sortie du convertisseur par rapport au point milieu du ct continu peuvent tre calcules partir des fonctions de connexion Yi de chacun des bras.

(2)

(3)

Dans le cas dun systme triphas quilibr avec neutre isol du point milieu du ct continu, on dmontre que :

(4)

En remplaant (3) et (4) dans le systme dquations (1), on obtient :

(5)

Ce systme dquations met en vidence le couplage qui existe entre les trois phases, puisque lvolution du courant dune phase dpend de ltat des interrupteurs des trois. Dans le systme dquations (1), on voit que lvolution du courant dans une phase dpend de la tension existante entre le point milieu du ct continu et le neutre du ct alternatif vO, quidpend-elle mme de ltat des interrupteurs des trois phases (quation (4)). Donc, partir de ces quations, on constante limportance de la tension entre le neutre et le point milieu du bus continu vO qui agit comme une perturbation pour le contrle du courant (figure 2).

Figure 2. Circuit quivalent pour le contrle du courant absorb de la phase a . La figure 2 montre la perturbation cause par la tension vO. Lexistence dharmoniques dans cette tension vO provoque lapparition dharmoniques dans les courants de ligne. Dailleurs, des valeurs importantes de la tension vO peuvent provoquer la perte de contrle du courant. Si vsa - vO Vdc/2, pour nimporte quelle valeur de la fonction de connexion Y1, la drive du courant est toujours positive, et croit sans quon puisse la contrler. Avant danalyser le contrle propos du redresseur MLI, on introduit le concept de vecteur tension (courant). Cette reprsentation vectorielle du systme triphas permet dobtenir des informations sur son comportement global . Les tensions lentre du convertisseur va, vb, vc tant dfinies partir des fonctions de connexion Yi, on obtient donc huit configurations possibles. Sur le tableau 1, on prsente les huit configurations possibles avec les valeurs de la tension correspondantes dans chaquephase (va, vb, vc), ainsi que le vecteur tension correspondant chaque combinaison.Tableau 1. Valeurs des vecteurs tensions.

Les tensions va, vb, vc peuvent prendre cinq valeurs diffrentes. Dans le tableau 1, on peut remarquer aussi lexistence de deux tats particuliers (V0 et V7), o les phases durseau sont court-circuites. Le vecteur v(t), correspond aux diffrentes tensions instantanes phase-neutre lentre du redresseur, peut tre exprim comme :

(6)Si on connait le vecteur tension, les tensions originales de chaque phase correspondent la projection du vecteur tension sur la phase correspondante. Sur la figure 3, on reprsente les vecteurs tension possibles, o les vecteurs (V0 et V7) correspondent aux tats de roue libre situs lorigine du plan complexe. Le procd pour calculer le vecteur courant de ligne est identique celui suivi dans le cas du vecteur tension.

Figure 3. Reprsentation vectorielle de la tension du redresseur.3. CONTROLE CLASSIQUE DIRECT DU COURANT DE SOURCE

Avec ladoption de nouvelles normes limitant le taux de pollution du rseau lectrique de distribution, les onduleurs MLI triphass de tension sont devenus le moyen dinterfaage le mieux adapt pour le raccordement des quipements lectroniques de forte puissance au rseau lectrique. Ils reprsentent ainsi une solution simple et fiable pour lcoulement bidirectionnel des puissances lectriques, ncessaire dans certaines applications telles que les systmes de levage, grues, centrifugeuses de grande inertie et de conversion lectrique dans les oliennes. Les onduleurs de tension peuvent constituer un tage de redressement grce leur capacit contrler les courants absorbs et la tension du bus continu .Lavantage de londuleur de tension par rapport celui de courant est indniable et son utilisation dans de nombreuses applications se justifie principalement par les deux avantages offerts par sa configuration:La bidirectionnalit en courant de sa topologie grce aux diodes de rcupration en antiparallles ; Le stockage dnergie capacitif est plus ais et efficace. De plus, le cot et le poids des condensateurs sont moindres.Lavantage principal du redresseur MLI, par rapport aux autres convertisseurs absorption de courant sinusodal, vient de sa capacit fonctionner en mode redressement et en mode rgnration. En effet, si la charge connecte au bus continu consomme de la puissance active, le convertisseur fonctionne en mode redressement (il prlve au rseau de lapuissance active). Si elle produit de la puissance active, le convertisseur fonctionne en mode rgnration (il fournit de la puissance active au rseau). Lors de ces deux modes de fonctionnement, la tension du bus continu est contrlable en changeant une partie de la puissance transite pour charger ou dcharger le condensateur.Notons que pour un fonctionnement idal du redresseur, londuleur doit se comporter comme une source de tension ct rseau et comme une source de courant ct charge. Le respect de lquilibre des puissances ncessite le contrle des puissances fondamentales active et ractive et de la minimisation de celles dues aux harmoniques. De plus, la composante continue de la tension du bus continu doit tre contrlable quelque soit la nature de la charge connecte en sortie du redresseur, linaire ou non-linaire, passive ou active.Le fait que la configuration de londuleur de tension soit simple, impose lajout dlments additionnels afin daccomplir les tches escomptes. Cest pour cette raison que lattention des chercheurs dans ce domaine sest concentre principalement sur trois aspects ayant trait au contrle des courants du ct alternatif, de la tension du bus continu, en associant le choix et le dimensionnement du filtre ct alternatif, dont le but est de rpondre des exigences dun cahier des charges. Parmi lesquelles nous pouvons citer, dynamique rapide, protection contre les courts-circuits et les surcharges, stabilit, robustesse vis--vis des variations paramtriques du systme et frquence de commutation faible pour rduire les missions lectromagntiques mises susceptibles dinfluencer dautres charges connectes au rseau.- Le contrle du courant est recommand dans toutes les applications centres autour dun onduleur de tension, parce quil assure dune part une bonne protection et stabilit, dautre part une rponse rapide du systme. De plus, il autorise le contrle de la forme donde du courant durant une priode du rseau ; ce qui permet la compensation des perturbations dues aux transitoires de la charge, aux non linarits et aux retards de commutation. En effet, des stratgies de commande sont appliques pour obtenir une modulation rapide de la tension lentre/sortie du convertisseur tel que les techniques MLI. Aussi, le contrle du courant est indispensable dans certaines applications comme le redressement et le filtrage actif, o le courant doit tre pilot instantanment pour imposer des puissances active et ractive donnes, pour minimiser les courants harmoniques et amliorer le facteur de puissance du systme.- Le contrle de la tension du bus continu reste un thme cl, spcialement pour les filtres actifs et les redresseur MLI o le bus continu gnralement nest pas aliment par une source continue. En revanche, le contrle de la tension du bus continu nest pas dissociable du contrle en courant. La prsence simultane de ces deux boucles de commande ne permet pas daboutir aux performances optimales de chacune prises sparment surtout lors des rgimes transitoires.- Lusage dun filtre dharmoniques ct alternatif ncessite une procdure de dimensionnement propre et une analyse approfondie de la stabilit. Ce filtre peut influer sur la capacit de poursuite du convertisseur et donc sur lamlioration des performances du contrle de courant.Les techniques de contrle de courant les plus utiliss sont le contrle par hystrsis ou le contrle MLI. Ces techniques sont trs connues et ont t amplement tudies dans le domaine de la conversion de lnergie lectrique DC/AC. Dans ce paragraphe, on sintresse ltude analytique du contrle de courant par hystrsis.3.1. Structure Globale du Contrle par Hystrsis Classique

La structure globale du contrle par hystrsis classique des courants prlevs sur le rseau par un pont redresseur MLI triphas est reprsente sur la figure 4.

Figure 4. Schma de principe du contrle direct des courants prlevs sur le rseau.Comme nous lavons dj signal prcdemment, les deux principaux objectifs du redresseur MLI rsident dans le contrle des deux cts : un facteur de puissance unitaire au ct source et une tension parfaitement continue la sortie. La figure 4 schmatise ces objectifs souhaits, en effet, on utilise une boucle de rgulation de la tension de sortie Vdc viaun rgulateur PI, ce rgulateur gnre lamplitude des trois courants de rfrence Ism et on met en service le module PLL qui fournit les trois sinus unitaires partir des trois tensions du rseau. En suite, la multiplication de lamplitude Ism par les trois sinus unitaires dlivrs par le module PLL permet dobtenir les trois courants de rfrence sinusodaux, et finalement les rsultats de comparaison entre les courants de rfrence et ceux de la source sont envoys aux comparateurs hystrsis. Lensemble des trois sorties de ces comparateurs dtermine lesordres de commande des interrupteurs constituant le pont. Donc, chaque courant de source sera maintenu dans une bande dhystrsis autour dune rfrence sinusodale et en phase avec la tension.3.2. Boucle de Rgulation de la Tension du Bus Continu

Parmi les principaux objectifs du redresseur MLI est videmment dobtenir une tension continue contrle. Le rle de la boucle de rgulation de la tension du bus continu est de maintenir cette tension une valeur de rfrence constante, en contrlant le processus de chargement et de dchargement du condensateur. Les causes de sa variation sont essentiellement les pertes dans les interrupteurs du convertisseur (en conduction et en commutation), dans les inductances de couplage et la variation de la charge connecte au bus continu. La rgulation de cette tension seffectue par ajustement de lamplitude des rfrences des courants prlevs pour contrler le transit de puissance active entre le rseau et le bus continu. A cet effet, elle est destine compenser toutes les perturbations provenant du ct convertisseur et du ct charge, provoquant une variation de lnergie stocke dans le condensateur.En outre, rguler Vdc revient rgler la puissance fournie la charge. Si lon veut un rglage linaire, il faut rguler le carr de la tension continu, puisque la puissance moyenne du ct continu est donne par :

(7)La commande en courant impose la puissance moyenne transmise la charge dfiniepar la relation : (8)En ngligeant les pertes actives dans le convertisseur et dans les inductances de couplage, lapplication du principe de conservation de la puissance donne la relation entre la puissance active dbite par le rseau et celle reue en sortie du pont. Elle scrit sous la forme :

(9)

A partir de (9), on dduit la fonction de transfert du premier ordre :

(10)

La fonction de transfert prcdente se transforme sous la forme suivante :

(11)La fonction de transfert du rgulateur PI est donne par :

Le synoptique de la boucle de rgulation du carr de la tension du bus continu est alors reprsent sur la figure 5.Figure 5. Schma bloc de la boucle de rgulation du carre de la tension du bus continu.La fonction de transfert du systme tant identifie celle d'un premier ordre. Les paramtres du correcteur PI sont dtermins par la mthode de compensation du ple dominant avec une frquence de coupure en boucle ferme f0 de 10 Hz.Deux relations lmentaires permettent la connaissance des paramtres de correction, soit le gain proportionnel kp et la constante de temps d'intgration Ti :

(13)

3.3. Contrle par Hystrsis Classique

Comme nous lavons montr prcdemment, la tension simple dune phase lentre du pont ne dpend pas uniquement de ltat des deux interrupteurs du bras correspondant, mais elle est aussi en fonction de ltat des interrupteurs des deux autres bras. A cet effet, le courant dans une phase nest donc pas indpendant des deux autres courants, mais la structure impose qu chaque instant la somme des trois courants soit nulle.La partie la plus importante et la plus dlicate dans le contrle du systme global est le contrle des courants. Dans ce cas, ce contrle devient difficile car le neutre est isol du pont milieu du bus continu. Dans ce paragraphe, on fait analyser le principe du contrle de courant par hystrsis classique bande fixe (Fixed-Band Hysteresis Current Control). Lors de cette analyse, nous prsentons le problme principal qui rside dans les interactions entre les phases, influant ngativement sur la frquence de commutation, subsquemment sur la qualit du courant prlev au rseau. Pour remdier ce problme, on met en vidence un dcouplage au niveau de lerreur de courant lors de la comparaison en vue de fournir les ordres de commande du redresseur MLI. A la fin de ce paragraphe, on prsente les rsultats de simulation obtenus, en mettant en vidence les amliorations apportes par les modifications proposes dans ce travail.3.3.1. Analyse Mathmatique

Si on considre trois courants de rfrence sinusodaux fictifs isa*, isb*,isc* fournis par le rseau, ces courants engendrent trois tensions de rfrence donnes par :

(14)

Si on soustrait (1) de (14) et on nglige leffet de la rsistance rs, on obtient le systme dquations :

(15)

Avec, a, b, c sont les erreurs des courants des trois phases de la source. Pour viter les interactions entre les phases, lerreur de courant pour chaque phase doit tre dcouple en deux parties.

(16)

Donc, le systme dquation (15) peut tre spar en deux sections :Le systme dquations de lerreur de courant dcouple :

(17)

Un seul terme peut assurer le dcouplage entre les trois phases, il scrit sous la formule suivante : (18)Sur la figure 6, on reprsente pour la phase a lvolution de lerreur de courant dcouple lintrieure de la bande dhystrsis et la tension du bras du redresseur MLI. Cette erreur volue linairement, sa croissance et sa dcroissance dpendent du signe de la diffrence va-va*.

Figure 6. Erreur de courant dcouple et la tension du bras du redresseur MLI.

A partir du systme dquations (17) et de la figure 6, on peut dduire lexpression de la priode de commutation correspondante la phase a qui prsente une variation lors du fonctionnement.

(19)

De (19), on dduit la ncessit davoir tout moment va* < Vdc/2 pour pouvoir contrler le signe de la pente de lerreur de courant dcouple et de cette faon, arriver la maintenir dans la bande dhystrsis.3.3.2. Rsultats de SimulationSur le tableau 2, on indique les paramtres du systme simul.Tableau 2. Paramtres du systme simul

a) Fonctionnement sans Tenir Compte de Dcouplage de lErreur de CourantA partir des rsultats prsents sur la figure 7, on constate que le redresseur MLI triphas prlve au rseau un courant quasi sinusodal (figure 7.a). Le THD du courant prlev est important : 5.6% pour un rang 40 et 10.79 pour un rang 120 (figure 7.b). Limportance de la distorsion harmonique en courant vient des interactions entre les phases cause de couplage cre par la tension entre le neutre et le point milieu du bus continu vO qui agit comme une perturbation pour le contrle du courant. Ceci est bien montr partir de lallure de lerreur de courant qui sort de la bande dhystrsis choisie (figure 7.c), de lallure du vecteur courant qui dpasse lhexagone impos par lhystrsis (figure 7.d) et de lallure de la frquence de commutation qui prsente une variation alatoire (figure 7.e).

Figure 7. Rsultats de simulation du systme en rgime permanent sans dcouplage de lerreur de courant: (a). Courant de source isa, (b). Spectre harmonique associ isa.(c). Erreur de courant a, (d). Vecteur courant, (e). Frquence de commutation fc.b) Fonctionnement en Tenant Compte de Dcouplage de lErreur de CourantLa figure 8 montre les rsultats obtenus dans le cas du contrle de courant classique en tenant compte de dcouplage de lerreur de courant. On constate que le courant prlev au rseau est sinusodal (figure 8.a), son THD est de 3.08% pour un rang 40 et 8.22% pour un rang 120 (figure 8.b), valeur infrieure celle obtenue avec le contrle sans dcouplage de lerreur de courant. La diminution de la dformation en courant vient de llimination de la perturbation provoque par la tension vO pour le contrle du courant. Comme on peut lobserver aussi, le dcouplage de lerreur de courant permet lallure de lerreur de courant dcouple de rester lintrieur de la bande dhystrsis choisie (figure 8.e) et lallure du vecteur courant de ne pas sortir de lhexagone (figure 7.f), ce qui montre que la variation de la frquence de commutation concide avec son expression thorique, la limite maximale de celle-ci est de 5 KHz et la limite minimale est de presque 2 KHz (figure 8.g).

Figure 8. Rsultats de simulation du systme en rgime permanent avec dcouplage de lerreur de courant : (a). Courant de source isa, (b). Spectre harmonique associ isa. (c). Erreur de courant a, (d). Erreur de dcouplage , (e). Erreur de courant decouple a1, (f). Vecteur courant, (g). Frquence de commutation fc.3.4. FONCTIONNEMENT A FREQUENCE DE COMMUTATION FIXEUne fois obtenu un fonctionnement semblable celui du redresseur avec neutre reli,on peut introduire une modification la bande dhystrsis pour commuter frquence fixe.Daprs lexpression (19), on peut calculer la valeur de la bande dhystrsis toutinstant pour commuter frquence fixe .

(20)

Cette mthode offre les meilleures prestations, puisquelle possde la rapidit du contrle par hystrsis et ajoute une limitation des variations sur la frquence de commutation ainsi quune plus grande prcision. Linconvnient principal quelle possde est la ncessit de disposer dune bonne connaissance des paramtres du systme (notamment linductance de ligne) pour son fonctionnement correct.Pour travailler frquence fixe tout en conservant les aspects de la robustesse, la prcision et la rapidit, nous introduisons une nouvelle philosophie de contrle base sur deux techniques avances diffrentes. Du fait de sa grande importance, la premire technique exploite est la technique Dead-Beat hystrsis dj dveloppe dans le chapitre prcdent qui a montr des performances suprieures pour le systme de filtrage actif. La seconde permet de modifier la bande dhystrsis de faon intelligente laide dun systme logique flou. Ces deux techniques prsentent une solution trs intressante pour le redresseur MLI.Llaboration de ces nouvelles techniques constitue lobjet de ce paragraphe.3.4.1. Fonctionnement Frquence Fixe lAide de la Technique Dead-BeatNous rappelons que le principe de ce genre de contrle est bien dtaill dans le paragraphe 4.2 du chapitre 2 pour le filtre actif parallle. Vue de sa grande efficacit de rguler la frquence de commutation et de la position des impulsions de commande, nous avons jug intressant de lappliquer au redresseur MLI triphas.A cet effet, nous prsentons directement les rsultats obtenus par ce contrle lors des tests en fonctionnement normal et en fonctionnement perturb. La frquence de commutation choisie est de 5 KHz; cela correspondant la frquence maximale dans le cas de la commande par hystrsis bande fixe.4.1.1. Fonctionnement en Rgime Permanent (Normal)En fonctionnement normal (rgime permanent). Lanalyse des rsultats obtenus par la commande Dead-Beat hystrsis prsents sur la figure 9 nous montre que cette commande offre au redresseur MLI une bonne efficacit de fonctionnement. Cette commande permet de rduire les ondulations du courant de source (figure 9.a), le THD obtenu de celuiciest trs faible (0.22% pour un rang 40 et 3.82% pour un rang 120) et les harmoniques restants sont runies autour de la frquence choisie (figure 9.b), ce qui facilite beaucoup le filtrage. Comme on peut lobserver, lerreur de courant obtenue aprs lopration de dcouplage (figure 9.e) oscille dans une enveloppe variable et contrle chaque instant. Le bon contrle de cette dernire permet au vecteur courant de rester lintrieur de lhexagone (figure 9.f) et de fixer la frquence de commutation la valeur choisie 5 KHz (figure 9.g) avec une bonne synchronisation des impulsions, dont lerreur de phase varie autour de zro (figure 9.h).

Figure 9. Rsultats de simulation du systme avec le contrle Dead-Beat hystrsis en rgime permanent: (a). Courant de source isa, (b). spectre harmonique associ isa. (c). Erreur de courant a, (d). Erreur de dcouplage , (e). Erreur de courant decouple a1, (f).Vecteur courant, (g). Frquence de commutation fc, (h). Erreur de phase a.3.4.1.2. Fonctionnement Perturba) Comportement du Redresseur MLI Lors dune Perturbation au Ct SourceOn suppose dans ce test la prsence de lharmonique dordre 5 dans les tensions de lasource dalimentation avec une amplitude de 10% du terme fondamental.

Figure 10. Rsultats de simulation du systme avec le contrle Dead-Beat hystrsis lors dune perturbation au ct source : (a). Tensions de source vsa, vsb , vsc, (b). Courants de source isa, isb , isc. (c). Tension et courant dune phase vsa et isa (multipli par un gain=10).Daprs les rsultats de ce test (figure 10), on remarque que malgr la distorsion des tensions de la source dalimentation, les courants de celle-ci restent sinusodaux. Ceci est d la prsence du module PLL qui compense les perturbations de la source et dlivre trois signaux sinusodaux unitaires.b) Comportement du Redresseur MLI Lors de la Variation de la Consigne du Bus ContinuLes rsultats prsents sur la figure 11 sont obtenus lors du premier test, dont la rfrence de la tension du bus continu est augmente de 300 340 V puis diminue de 340 300 V. Tandis que ceux prsents sur la figure 12 sont obtenus lors du second test, o la rfrence de la tension du bus continu est diminue de 300 260 V puis augmente de 260 300 V. On constate que la technique Dead-Beat hystrsis offre un contrle persistant lors des perturbations de la tension du bus continu et le temps de rponse du systme face ces transitoires est de 0.05 s (2.5 Cycles).

Figure 11. Rsultats de simulation du systme avec le contrle Dead-Beat hystrsis lors dune augmentation de Vdc* de 300 340 V et puis dune diminution de 340 300 V : (a). Courants de source isa, isb et isc. (b). Tension du bus continu Vdc, (c). Amplitude des courants de rfrence Ism.

c)

Figure 12. Rsultats de simulation du systme avec le contrle Dead-Beat hystrsis lorsdune diminution de Vdc* de 300 260 V et puis dune augmentation de 260 300 V :(a). Courants de source isa, isb et isc, (b). Tension du bus continu Vdc, (c). Amplitude des courants de rfrence Ism.Comportement du Redresseur MLI Lors de la Variation de la ChargeLa figure 13 montre les rsultats obtenus lors dun rgime transitoire de la variation de la charge. Dans ce test, Nous avons provoqu une diminution de la rsistance connecte au bus continu de 33.3% puis une augmentation de 50% pour une rfrence constante Vdc*=300 V. On constate que le contrle Dead-Beat hystrsis prsente une bonne stabilit face des variations de la charge. La tension du bus continu prsente un dpassement sa consigne de 10 V pendant laugmentation de la charge et une diminution de 10 V pendant la diminution de la charge et le temps de rponse du systme face ce genre des transitoires est important (0.14 s (7 Cycles)).

Cas : Diminution de la charge. Cas : Augmentation de la charge.Figure 13. Rsultats de simulation du systme avec le contrle Dead-Beat hystrsis lors de la variation de la charge: (a). Courants de source isa, isb et isc, (b). Tension du bus continu Vdc, (c). Amplitude des courants de rfrence Ism.4.2. Fonctionnement Frquence Fixe lAide de la Technique Floue4.2.1. Principe de la Technique ProposeDans ce paragraphe, la mthodologie de rglage propose pour fixer la frquence de commutation repose sur lutilisation dune technique de logique floue, dont la loi de commande par hystrsis conventionnelle est remplace par une srie des rgles linguistiques de type si (condition) alors (action). En ngligeant la rsistance rs et en remplaant va* par sa valeur (systme dquations (14)) dans lquation (20), on obtient : (21)Daprs lquation (21), on peut remarquer que pour ajuster la frquence de commutation fc la valeur dsire fd, il est ncessaire de rguler la bande dhystrsis a suivant les variations des diffrentes grandeurs constituant lquation (21). Pour avoir de bonnes performances, la bande dhystrsis est contrle en utilisant un rgulateur flou, o la tension du rseau vsa et la drive (la pente) du courant de rfrence disa*/dt sont des variables dentre et la bande dhystrsis a est une variable de sortie.On reprsente sur la figure 14, la structure du rgulateur flou utilis pour le calcul de la bande dhystrsis de la phase a . Le bon fonctionnement de ce rgulateur ncessite le bon choix des diffrents gains utiliss dans sa structure.On utilise des gains de normalisation (G1 pour la tension du rseau vsa et G2 pour la drive du courant de rfrence disa*/dt). Si on considre que le systme triphas est quilibr, ces gains sont obtenus laide de dtecteurs de crtes de ces variables dentre et peuvent tres ajusts automatiquement sil y a des perturbations. Le gain dajustement G utilis la sortie du rgulateur flou est ajust la valeur de la bande maximale amax=Vdc/4.Ls.fd. Son rle principal est de dfinir la plage de variation de la bande dhystrsis. Il est noter quune action proportionnelle relativement faible "GP" est additionne la sortie du rgulateur flou.Laddition de cette action proportionnelle permet de mettre une bande minimale diffrente de zro pour viter laugmentation considrable de la frquence de commutation.

Figure 14. Structure de la technique de commande floue hystrsis de la phase a .Les caractristiques principales du rgulateur flou dvelopp sont les suivantes : Cinq ensembles flous pour chaque entre et chaque sortie ; Les fonctions dappartenance sont de forme triangulaire pour la simplicit (fig 15) ; La fuzzification avec un univers de discours continu ; Limplication utilise linfrence min-max de E. Mamdani ; La dfuzzification par centre de gravit.- Les cinq ensembles flous des variables dentre vsa(n), disa*(n)/dt sont : NG (Ngative grande), NM (Ngative moyenne), EZ (Nulle), PM (Positive moyenne) et PG (Positive grande).- Les cinq ensembles flous de la variable de sortie a(n) sont : PTP (Positive trs petite), PT (Positive petite), PM (Positive moyenne), PG (Positive grande) et PTG (Positive trs grande).La figure 15 montre les fonctions dappartenance utilises dans la fuzzification pources variables.

(a). Tension de source vsa(n). (b). Drive du courant de rfrence disa*(n)/dt.

(c). Bande dhytrsis a(n).Figure 15. Rpartition des fonctions dappartenance : (a) et (b) Variables dentre,(c). Variable de sortie.

Le tableau ci-dessous donne lensemble des rgles floues utilises dans la conception de ce rgulateur. Il permet dagir trs localement sur la surface de commande et donc une variation de lun de ses paramtres naura quune rpercussion locale sur la rponse globale.Le nombre de paramtres rgler ici est 20 paramtres. On a aussi 5 paramtres inexistants; ils sont indiqus par (*), car il y a un dphasage de presque 90 entre les variables dentre du rgulateur flou.Tableau 3. Rgles floues.

4.2.2. Rsultats de SimulationPour une frquence de commutation 5 KHz, nous prsentons respectivement sur la figure 16 et la figure 17 les rsultats obtenus en rgime permanent et en rgime transitoire lors de la variation de la charge.a) Fonctionnement en Rgime Permanent

Figure 16. Rsultats de simulation du systme avec le contrle flou hystrsis en rgimepermanent: (a). Courant de source isa, (b). Spectre harmonique associ isa. (c). Erreur de courant a, (d). Erreur de dcouplage , (e). Erreur de courant dcouple a1, (f).Vecteur courant, (g). Frquence de commutation fc.

La bonne efficacit de fonctionnement du redresseur MLI command par la technique floue hystrsis propose dans ce travail est justifie par les rsultats de simulation prsents sur la figure 16. Les amliorations prsentes par la technique floue hystrsis sont semblables celles prsentes par la technique Dead-Beat hystrsis, dont on peut observerque la frquence de commutation est bien ajuste sa valeur dsire 5 KHz et le courant de source prsente une meilleure qualit, son THD est trs faible (0.57% pour un rang 40 et 5.78% pour un rang 120).b) Fonctionnement en Rgime Transitoire Lors dune Variation de la Charge

Figure 17. Rsultats de simulation du systme avec le contrle flou hystrsis lors de la variation de la charge: (a). Courants de source isa, isb, isc, (b). Tension du bus continu Vdc, (c). Amplitude des courants de rfrence Ism, (d). Frquence de commutation fc.

Les rsultats prsents sur la figure 17 sont obtenus pour un test de variation de la charge, o la rsistance de la charge connecte au bus continu subit une augmentation de 50% linstant 0.2 s, puis une diminution de 50% linstant 0.4 s pour une rfrence constanteVdc*=300 V. On constate que le contrle flou hystrsis possde un comportement stable lors de la variation de la charge et la tension du bus continu prsente une variation sa consigne de 10 V avec un temps de rgime transitoire important 0.14 s (7 Cycles).5. CONCLUSIONDans cette partie, nous avons prsent, en un premier temps, le principe de fonctionnement du redresseur MLI triphas avec son contrle direct en courant par hystrsis.Nous avons mis en vidence l'importance de la structure neutre isol et nous avons ralis un dcouplage au niveau de lerreur de courant afin de compenser les interactions entre les phases.Ensuite, nous avons examin le fonctionnement du redresseur MLI command par la technique Dead-Beat hystrsis, o des rsultats de simulation ont t prsents pour diffrents rgimes justifiant le bon fonctionnement avec frquence de commutation stable.A la fin de cette partie, nous avons propos une nouvelle technique intgre dans lesprit de lintelligence artificielle, dont la bande dhystrsis est adapte en utilisant des rgles floues. Les rsultats de simulation obtenus ont montr que la technique floue hystrsis assure un fonctionnement frquence de modulation stable lors de rgime permanent ou dynamique de la charge. Le seul inconvnient est que cette technique ncessite une bonne estimation du gain de sortie de la bande dhystrsis qui dlimite la bande maximale lors de variation de la consigne du bus continu. Lajout de la tension du bus continu du redresseur MLI comme troisime variable dentre du rgulateur flou peut amliorer les performances de cette technique. Cependant, ceci peut compliquer le rgulateur flou. | Page