ministere de l’enseignement superieur et · la commande scalaire, la plus ancienne et la plus...
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الجمهورية الجزائرية الديمقراطية الشعبية
REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE
MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET العلمي البحث و العالي التعليم وزارة
DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE 1 قسنطينة جامعة
UNIVERSITE CONSTANTINE I التكنولوجية علوم كلية
Faculté des Sciences de la Technologie اإللكتروتقني: قسم
Département : Electrotechnique
MEMOIRE DE MASTER
OPTION : ELECTROTECHNIQUE
Thème
Commande scalaire d’un moteur asynchrone triphasé : conception et réalisation d’un onduleur
triphasé et implémentation sur une carte ARDUINO.
Présenté par :
REMACHE Seif-el-islam
Encadreur:
DR. LOUZE LAMRI
Promotion 2014/2015
2
Je dédie ce mémoire à :
· Mes parents :
Ma mère, qui a œuvré pour ma réussite, de par son amour, son soutien, tous les sacrifices
consentis et ses précieux conseils, pour toute son assistance et sa présence dans ma vie,
reçois à travers ce travail.
Mon père, qui peut être fier et trouver ici le résultat de longues années de sacrifices et de
privations pour m'aider à avancer dans la vie. Puisse Dieu faire en sorte que ce travail porte
son fruit ; Merci pour les valeurs nobles, l'éducation et le soutient permanent venu de toi.
Mon frère et ma sœur qui n'ont cessé d'être pour moi des exemples de persévérance, de
courage et de générosité.
Mes professeurs qui doivent voir dans ce travail la fierté d'un savoir bien acquis.
3
Mes remerciements vont tout premièrement, à dieu le tout puissant de m’avoir donné du
courage et de la patience durant toutes ces années d’études.
Je voudrais aussi exprimer mes sincères remerciements à Dr. Louze.L, Dr.Nemmour.A et
Monsieur Pr. Khazzar.A le président de Laboratoire d’Electrotechnique Constantine LEC
Pour la confiance qu’ils m’ont prodigué, pour leurs encouragements continus, pour le suivi
et la direction de près de mon travail, ainsi que pour leurs conseils judicieux, leurs
observations et leurs assistance pour mener à bien ce travail. Mes remerciements s’adressent
également aux membres de mon groupe de travail qui m’encourage au travail collectif.
4
Sommaire
Introduction générale. ............................................................................................................................................................................................(8)
Chapitre I ................................................................................................................................................................................................................ (9)
Modélisation et commande scalaire de la machine asynchrone :
1-1- Introduction. .......................................................................................................................................................................................................... (10)
1-2- Hypothèses simplificatrices. ................................................................................................................................................. (10)
1-3- Modélisation de la machine asynchrone : ............................................................................................ (11)
1-3-1- Description paramétrique. ............................................................................................................................ (11)
- • Définitions et notations. ...................................................................................................................................... (11)
1-3-2- Equations générales de la machine asynchrone triphasée. .... (12)
1-4- Commande scalaire. .............................................................................................................................................................................. (14)
1-5- Modèle de la machine asynchrone en régime permanant. ............................. (15)
1-5-1- Contrôle indirect du flux. ........................................................................................................................ (17)
1-6- Conclusion. ......................................................................................................................................................................................................... (17)
Chapitre 2................................................................................................................................................................................................................ (18)
Conception, Simulation et réalisation d’un onduleur triphasé :
2-1- Introduction. ...................................................................................................................................................................................................... (19)
2-2- Généralité sur les onduleurs en MLI. ....................................................................................................................................................... (19)
2-3- Classification des onduleurs. ..................................................................................................................................................................................... (20)
2-3-1- Onduleur autonome. ................................................................................................................................................................................................................... (20)
5
2-3-2- Onduleur non autonome. ................................................................................................................................................................................................ (20)
2-4- Principe de fonctionnement. ................................................................................................................................................................................................................ (21)
2-5- Onduleur triphasé en pont. ................................................................................................................................................................................................................... (21)
2-5-1- Principe de fonctionnement (une phase). .................................................................................................................................. (21)
2-6- Modélisation de l’onduleur triphasé. .............................................................................................................................................................................. (22)
2-6-1- Les tensions composées sont. ................................................................................................................................................................................ (23)
2-6-2- Les tensions simples sont. ............................................................................................................................................................................................ (23)
2-7- Simulation et réalisation de l’onduleur triphasé. ............................................................................................................................... (23)
2-8- Génération des signaux. ............................................................................................................................................................................................................................ (24)
2-9- Partie commande rapproché. ............................................................................................................................................................................... (24)
2-10- Circuit d’isolation. ......................................................................................................................................................................................................................... (24)
2-11- Circuit de commande des MOSFETs (DRIVER). ................................................................................................................................ (25)
2-12- Partie puissance. ........................................................................................................................................................................................................................................................ (26)
2-13- Réalisation de l’onduleur triphasé. .................................................................................................................................................................................. (26)
2-14- Simulation de l’onduleur. ...................................................................................................................................................................................................................... (27)
2-15- Création de circuit imprimé sous l’environnement ARES. ........................................................................................... (28)
2-16- Impression de la carte et emplacement des composants. ................................................................................................ (29)
2-17- Essais expérimentaux. ........................................................................................................................................................................................................................ (29)
2-18- Banc d’essai. .............................................................................................................................................................................................................................................................. (29)
2-19- Conclusion. ................................................................................................................................................................................................................................................................. (30)
Chapitre 3......................................................................................................................................................................................................................................... (31)
Etude expérimentale du projet :
6
1-Introduction. ....................................................................................................................................................................................................................................................... (32)
2-La carte arduino mega 2560............................................................................................................................................................................................ (32)
vue ensemble. ........................................................................................................................................................................................................................................ (32)
3- La réalisation de la commande scalaire. ..................................................................................................................................................................................... (32)
3-2- La régulation du courant dans un circuit R-L muni d’une diode de roue libre. ............................. (33)
3-2-1- Résultats de la simulation de la régulation du courant dans un circuit R-L (Hacheur) sous
l’environnement ISIS. .......................................................................................................................................................................................................................................................... (34)
4- La méthode du DDS. ................................................................................................................................................................................................................................................................ (34)
4-1- Les avantages de la méthode. ........................................................................................................................................................................................................................... (34)
4-2- La théorie de la méthode. ........................................................................................................................................................................................................................................... (35)
5- Résultat expérimentaux. ........................................................................................................................................................................................................................................................ (35)
6- Banc essai. ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. (36)
Conclusion générale. ................................................................................................................................................................................................................................... (38)
Bibliographie. ............................................................................................................................................................................................................................................................. (39)
7
8
Introduction générale :
Le concept de machine asynchrone d’induction a environ 120 ans. Depuis, cette machine
s’est imposée dans l’industrie. C’est le moteur le plus répandu.
Relié au réseau électrique à fréquence fixe, il permet la réalisation de la majorité des
entraînements à vitesse constante, cela dans une très large gamme de puissances. On
devrait plutôt dire à vitesse « quasi constante », car ce moteur présente le gros intérêt,
lorsqu’on lui demande un effort supplémentaire, de le fournir, mais en « glissant » c'est-à-
dire en diminuant légèrement sa vitesse (fonctionnement asynchrone) [1].
La mise en œuvre de ce moteur est aisée. Sur le réseau alternatif monophasé, il a fallu
cependant trouver quelques « astuces » de démarrage, le moteur asynchrone d’induction a
ainsi trouvé sa place pour certaines applications domestiques (entrainement de pompes,
compresseurs…) où il se fait oublier par sa discrétion et sa robustesse [1].
C’est un moteur facile à construire, économique…On a donc pensé à lui pour la
vitesse variable. Il y a quelques dizaines d’années, les solutions techniques de l’époque
permirent d’obtenir une variation de vitesse en faisant davantage « glisser » le moteur.
Actuellement, ce sont les alimentations électroniques de puissance à fréquence variable
qui sont amplement utilisées pour obtenir cette variation de vitesse, certes aux prix d’une
certaine complexité des alimentations et des commandes associées. [1]
Dans ce travail, on s’intéresse à la conversion continu/alternatif, cependant, nous
utiliserons une des commandes que nous avons implantées pour s’assurer de sa
fonctionnalité [7].
Pour le premier chapitre on va modéliser la machine asynchrone à fin de pouvoir
faire une commande scalaire en boucle fermée.
Le second chapitre sera une simulation et réalisation d’un onduleur de tension
triphasé.
Finalement, le dernier chapitre sera une étude expérimentale sur la commande
scalaire Et implémentation sur une carte arduino Méga.
9
10
1-1- Introduction :
La machine asynchrone, en raison de son faible coût et de sa robustesse, constitue
actuellement la machine la plus utilisée pour réaliser des variateurs de vitesse.
La commande scalaire, la plus ancienne et la plus rustique, correspond à des
applications n’exigeant que des performances statiques et dynamiques moyennes.
De nombreux variateurs équipés de ce mode de contrôle sont utilisés, en particulier
pour des applications industrielles de pompage, climatisation, ventilation. Le
contrôle scalaire de la machine asynchrone consiste à imposer aux bornes de son
induit, le module de la tension ou du courant ainsi que la pulsation. Ce mode de
contrôle s’avère le plus simple quant à sa réalisation, mais également le moins
performant, surtout pour les basses vitesses de fonctionnement. Cependant, au
niveau des puissances installées, la plupart des variateurs ne justifient pas un
contrôle très performant. Pour des variateurs dont la plage de vitesse ne dépasse
pas un rapport 3 ou 4 entre les vitesses extrêmes (ventilation, climatisation,
centrifugeuses...) et pour lesquels il n’y a pas de fonctionnement à vitesse très
faible et à fort couple de charge, le contrôle scalaire donne des performances
satisfaisantes. Il est donc important de donner un certain nombre d’informations sur
les variateurs asynchrones avec contrôle scalaire.
1-2- Hypothèses simplificatrices :[3],[5]
Les hypothèses généralement admises dans le modèle de la machine asynchrone
sont :
- La parfaite symétrie de la machine (entrefer constant).
- L’absence de saturation et de pertes dans le circuit magnétique (l’hystérésis et
les courants de Foucault sont négligeables).
- Distribution spatiale sinusoïdale des forces magnétomotrices d'entrefer.
- L’alimentation est réalisée par un système de tensions triphasées symétriques.
- Effet des encoches négligé.
- Les influences de l'effet de peau et des échauffements des conducteurs sont
négligées.
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1-3- Modélisation de la machine asynchrone en régime permanent:
1-3-1- Description paramétrique : [6]
La machine asynchrone triphasée est constituée de trois enroulements
identiques logés symétriquement dans les encoches du stator et d’une cage
conductrice intégrée au rotor, assimilable électriquement à trois enroulements
identiques parfaitement symétriques et en court-circuit.
La machine est représentée à la figure (1-1) par ses six enroulements dans
l’espace électrique ; l’angle α repère l’axe de la phase rotorique de référence
par rapport à l’axe fixe de la phase statorique de référence .Les flux sont
comptés positivement selon les axes des phases ; le sens des enroulements est
repéré conventionnellement par un point (.) :
Un courant positif entrant par le point crée un flux positif dans l’enroulement.
Définitions et notations :[6]
s,r : indices respectifs du stator et du rotor ;
p : nombre de paires de pôles ;
: Résistance et inductance propre d’une phase statorique ;
: Résistance et inductance propre d’une phase rotorique ;
: Coefficient de mutuelle inductance entre deux phases du stator ;
: Coefficient de mutuelle inductance entre deux phases du rotor ;
: Maximum de l’inductance mutuelle entre une phase du stator et une phase du rotor ;
il est obtenu lorsque les axes sont alignés ;
α/p : angle mécanique entre et ;
α : angle électrique entre et ;
: tensions d’alimentation des phases , , ;
: courants statoriques des phases , , ;
: tensions aux bornes des phases , , , (=0) ;
: courants rotoriques des phases , , ;
: Pulsation instantanée des courants statoriques ;
: Pulsation instantanée des courants rotoriques ;
𝛺 : vitesse angulaire de rotation 𝛺=
;
: vitesse angulaire du champ tournant ;
: vitesse angulaire électrique, ;
: Couple électromagnétique.
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Figure (1-1) – Représentation des enroulements de la machine asynchrone triphasée.
Les coefficients instantanés de mutuelle inductance entre le rotor et le stator s’expriment en
fonction de et de α.
On pose : ( )
(
)
(
)
1-3-1- Equations générales de la machine asynchrone triphasée : [6]
Considérons l’un des six enroulements
et exprimons la relation v, qui lui est
appliquée, le courant i et le flux
totalisé φ (figure 1-2).
Loi de la maille : v = r.i - e
Loi de Faraday : e = -
D’où v= r.i +
Figure (1-2 ) : Modèle d’une phase avec force électromotrice.
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On déduit pour l’ensemble des phases
[
] [
] [
]+
[
]
Ou , - , -, -+ , -
[
] [
] [
]+
[
]
[ ]
Ou , - , -, -+ [ ]
, -
Une matrice des inductances , ( )- établit la relation entre les flux et les
courants ; elle comporte 36 coefficients non nuls et dont la moitié dépend du temps
par l’intermédiaire de α (position du rotor).
Soit :
[ ]
[
]
La matrice des flux réels fait apparaitre quatre sous-matrices d’inductances :
[ ( ) ( )
] [, - , -
, - , -] [ ( ) ( )
]
Avec
, - [
] et , - [
]
, - , -
[ ( ) (
) (
)
(
) ( ) (
)
(
) (
) ( ) ]
Finalement,
, - , -, - + *, - , - , - , -+
, - , -, - + {, -
, - , - , -}
14
Le modèle de la machine asynchrone dans le repère de park lié au champ
tournant est donné par :
Avec :
Le couple électromagnétique :
( )
1-4- Commande scalaire :
La commande scalaire est la plus simple et la plus répandue dans la majorité des
applications industrielles. Le contrôle scalaire ne permet pas d’avoir une bonne
précision dans la réponse de la vitesse et du couple suite à la simplicité de sa
structure qui tient compte uniquement du régime permanent. Le flux statorique et le
couple ne sont pas directement commandés et les paramètres des machines
alternatives doivent être correctement identifiés. La précision de la vitesse est
faible et la réponse dynamique est lente [3].
Parmi les méthodes de la commande scalaire est la commande indirecte ou le
flux magnétique est contrôlé, elle est réalisée sur la base du maintien du rapport
tension- fréquence égal à une constante (V/f = cst).
La commande scalaire indirecte est aussi deux types :
- Le premier c’est la commande scalaire en courant. Pour les machines entraînées
par des onduleurs en courant (généralement de fortes puissances).
- Le deuxième c’est la commande scalaire en tension. Connais aussi sur le nom "
commande en V/f ", pour les machines entraînées par des onduleurs en tension
(sont généralement de moyennes et de faibles puissances).
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Pour expliquer le principe de la commande scalaire on fait appel à la modélisation
de la machine en régime permanant.
1-5- Modèle de la machine asynchrone en régime permanant : [7]
Si les tensions d’alimentation sont triphasées équilibrées, on peut écrire :
{
( )
(
)
(
)
Choisissons de fixer le repère dq au champ tournant.
Notons la pulsation statorique (on est bien en régime permanant
sinusoïdal).
De même, nous noterons La pulsation rotorique et
𝛺 La pulsation mécanique.
{ ( )
( )
{
On peut réécrire tout le système d’équation en introduisant la notation
complexe :
( )+ ( )
( )
( )+ ( )
( )
D’ou +
mais comme on est en régime permanant(
) :
+
Et + avec
{
Or {
{ ( )
( )
On aboutit alors au schéma de la figure (1-3)
Et si on néglige la chute ohmique due à on trouve : [3]
Figure (1-3): Schéma par phase en régime permanent.
16
On peut écrire le module sous la forme suivante :
En fixant le rapport
afin de commander le moteur asynchrone comme un MCC à
excitation séparée.
L’influence du terme n’est néfaste que
pour les faibles valeurs de , la stratégie
de commande consiste donc à introduire
un ( )pour les faibles valeurs de .
Une fois le flux est contrôlé, la deuxième étape consiste à commander le couple, qui
peut être écrit sous la forme suivante :
.
/
. / ( )
Or pour un point de fonctionnement proche du synchronisme on peut considérer :
.
/
( )
Le couple électromagnétique s'écrit donc :
.
/
En fait garder le rapport
revient à garder le flux constant. Quand la
tension atteint sa valeur maximale, on commence alors à décroître ce rapport ce qui
provoque une diminution du couple que peut produire la machine. On est en régime
de défluxage, ce régime permet de dépasser la vitesse nominale de la machine.
Le régime de défluxage est réalisable par une fonction non linéaire, de ce régime, on
peut déterminer la composante du flux statorique (de référence) à partir de la vitesse
mécanique du rotor en utilisant un capteur de vitesse.
{ |𝛺| 𝛺
| | |𝛺| 𝛺
17
1-5-1- Contrôle indirect du flux :[8]
Le flux sera contrôlé indirectement à partir des courants statoriques ou des tensions
statoriques définies en régime permanent sinusoïdale.
1-6- Conclusion :
En effet, la première commande qui a était introduite dans l'industrie était la
commande scalaire, très répandue pour sa simplicité et son coût réduit, elle a
occupé une grande partie des applications industrielles à vitesses variables, et
c’est pour cela nous avons besoin d’un onduleur de tension triphasé qui sera notre
second chapitre.
18
19
2-1- Introduction : [3]
Un onduleur est un convertisseur statique, assurant la conversion de tension
continue vers l’alternative. Pour obtenir une tension alternative à partir d’une
tension continue, il faut découper la tension d’entrée et l’appliquer tantôt dans un
sens, tantôt dans l’autre. Il est donc possible de produire à la sortie du convertisseur
une tension alternative de valeur moyenne nulle. Cette tension peut comporter un
ou plusieurs créneaux par alternance suivant qu’il s’agit d’une commande à un
créneau par alternance où d’une commande par modulation de largeur d’impulsion
(MLI).
Les structures des convertisseurs nous conduit à distinguer deux types d’onduleurs
Les onduleurs de tension
Les onduleurs de courant
2-2- Généralité sur les onduleurs en MLI: [9]
Les convertisseurs de courant continu en courant alternatif sont appelés des
onduleurs.
La fonction d’un onduleur est de convertir une tension continue d’entrée en une
tension de sortie alternative symétrique d’amplitude et de fréquence désirée. La
tension de sortie variable peut être obtenue en variant la tension continue d’entrée
et en maintenant le gain de l’onduleur constant. D’autre part, si la tension d’entrée
est fixe et qu’elle soit non contrôlable, une tension de sortie variable peut être
obtenue en variant le gain de l’onduleur.
Il y a plusieurs techniques pour obtenir cette variation, la technique de modulation
des largeurs d’impulsions MLI est la plus répandue. Elle consiste à changer la
largeur des impulsions de la tension de sortie avec des commandes appropriées des
interrupteurs à semi-conducteurs de l’onduleur.
Le gain de l’onduleur peut être défini comme le rapport entre la tension alternative
de sortie et la tension continue d’entrée.
La forme d’onde de la tension de sortie d’un onduleur idéal doit être sinusoïdale.
Cependant, cette forme d’onde n’est pas sinusoïdale en pratique et contient
quelques harmoniques. Ce qui veut dire qu’il existe des harmoniques de tension. Le
but serait donc d’obtenir à la sortie un signal avec un taux de distorsion
harmonique le plus faible possible.
20
Pour des applications de faibles et moyennes puissances, les tensions de forme
d’onde carrée ou quasi-carrée pourront être acceptables ; alors que pour les
applications de fortes puissance une forme d’onde sinusoïdale avec un faible taux
de distorsion des harmoniques est exigé. Avec la disponibilité des dispositifs semi-
conducteurs de puissance à haute vitesse, l’harmonique contenue dans la tension de
sortie peut être minimisée ou réduite significativement par des techniques de
commande.
Les onduleurs sont largement utilisés dans les applications industrielles par
exemple : variateur de vitesse
des moteurs à courant alternatif, chauffage par
induction. L’entrée d’un
onduleur peut être une batterie,
une tension continue issue des
panneaux solaire, ou d’autre
source de courant continu
obtenus à partir d’un
redressement monophasé ou
triphasé comme le montre la
figure (2-1) ci-dessous.
2-3- Classification des onduleurs :[9]
Il existe plusieurs de schémas d`onduleurs, chacun correspondant à un type
d`application déterminé ou permettant des performances recherchées.
Les onduleurs sont en général classés selon les modes de commutation de leurs
interrupteurs.
2-3-1- Onduleur autonome :
C’est un système qui nécessite des composants commandés à la fois à la
fermeture et à l'ouverture, de fréquence variable, dont les instants de
commutations sont imposés par des circuits externes. La Charge est quelconque.
Cet onduleur n'est pas réversible.
2-3-2- Onduleur non autonome :
Dans ce cas, les composants utilisés peuvent être de simples thyristors
commandés uniquement à la fermeture et la commutation est "naturelle"
contrairement à l'onduleur autonome.
Figure(2-1) : Principe de fonctionnement de l’onduleur
21
L'application principale de ce type d'onduleur se trouve dans les variateurs pour
moteurs synchrones de très forte puissance où les thyristors sont souvent les
seuls composants utilisables.
2-4- Principe de fonctionnement :[9]
Le principe de fonctionnement d’un onduleur est basé sur l’électronique de
commutation, on génère une onde de tension alternative à partir d’une tension
continu comme le montre la figure (2-2).
Figure (2-2) : Symbole et signal d’un onduleur.
2-5- Onduleur triphasé en pont :
L’onduleur triphasé en pont est constitué de trois cellules de commutation
(figure 2-3). On retrouve évidemment une structure différentielle dans laquelle
les tensions triphasées sont obtenues de façon composée sur les trois bornes de
sortie.
L’onduleur triphasé doit évidemment, en régime normal, délivrer un système de
tension dont les composantes fondamentales forment un système équilibré.
Figure (2-3): Montage d’un onduleur triphasé.
2-5-1- Principe de fonctionnement (une phase):
Dans la configuration de l’onduleur triphasé, la cellule de commutation peut
donc être considérée comme une phase de l’onduleur, la composante alternative
de sa tension de sortie constituant une tension simple comme le montre la figure
(2-4) ci-dessous pour chaque tension.
22
Figure (2-4) : Allure des tensions simples de l’onduleur triphasé.
2-6- Modélisation de l’onduleur triphasé :[9]
L’onduleur triphasé dit deux niveaux est illustré par son circuit de puissance de la
figure (2-5). On doit distinguer d’une part les tensions de branche VAN, VBN,
VCN mesurées par rapport à la borne négative de la tension continue Vpv, d’autre
part, il y a les tension de phases VAn, VBn et VCn mesurées par rapport à un point
neutre flottant n représentant une charge équilibrée montée en étoile. Des tensions
simples on peut tirer facilement les tensions composées VAB, VBC et VCA.
Figure (2-5) : Circuit de fonctionnement de l’onduleur triphasé
Dans le circuit de puissance de l’onduleur triphasé de la figure (2-5), il est à noter
que les états des interrupteurs d’un même bras sont complémentaires. En utilisant
ces états des interrupteurs, nous pouvons obtenir les tensions de branche de sortie
23
de l’onduleur mesurées par rapport à la borne négative de la tension du côté
continu comme suit :
= .
= . (I.1)
= .
Où , et désignent les états des interrupteurs des phases A, B et C
Respectivement.
2-6-1- Les tensions composées sont :
( )
( ) (I.2)
( )
On peut écrire l’équation (I.2) sous la forme matricielle :
[
] [
] [
] (I.3)
2-6-2- Les tensions simples sont :
( ⁄ ) ( ⁄ )( )
( ⁄ ) ( ⁄ )( )
( ⁄ ) ( ⁄ )( )
[
]
[
] [
] (I.4)
2-7- Simulation et réalisation de l’onduleur triphasé :
L’onduleur triphasé réalisé constitué de trois parties principales: [4]
Génération des signaux (carte de commande).
Partie commande rapproché.
Partie Puissance.
24
2-8- Génération des signaux : [4]
Pour générer des signaux de commande, et les transmettre, on a utilisé une
carte ARDUINO MEGA, dont les Timers et les sorties numériques sont assez
suffisantes.
Avec cette carte on a pu créer une commande à modulation de largeur
d’impulsions (MLI) ou (PWM) pour chaque bras d’onduleur.
2-9- Partie commande rapproché :
Un signal d’entrée généré par l’ARDUINO est de type logique 5v, il va
attaquer les optocoupleurs, qui vont séparer la partie commande et la partie
puissance du circuit. Six signaux sont complémentaires et en retard de 4us
l’un de l’autre, chaque deux signaux attaquent un driver qui va amplifier le
signal jusqu’à 15v, pour pouvoir commander les transistors de l’onduleur.
Figure (2-6) : Principe de la commande rapproché. [4]
2-10- Circuit d’isolation :
Notre circuit comporte 3 optocoupleurs de type TLP2630 (Optoelectronics) Fig.
(2-7), Ce composant est ultra rapide et il peut supporter des hautes fréquences
monte supérieure à 4KH suffisante pour une commande MLI. [4]
Figure (2-7) : Optocoupleur TLP 2630 [10]
25
2-11- Circuit de commande des MOSFETs
(DRIVER) :[3]
Dans la plupart des
convertisseurs de puissance, les
composants de puissance
MOSFET et IGBT sont pilotés
par des DRIVER, Celles-ci
doivent assurer plusieurs
fonctions :
La commande des instants de
commutations (PWM).
L’alimentation de la grille du composant de puissance.
Le Driver est un circuit intégré qui permet le pilotage en haute fréquence de 2
MOSFET ou de 2 IGBT, sous des tensions pouvant atteindre 600v, en
garantissant l'isolation électrique de chaque étage.
On choisit d’utiliser un circuit intégré spécialisé, le Driver IR2113 fabriquant
(International Rectifier).
Notre circuit constitue de trois drivers permettant le pilotage des six MOSFETS,
comme les deux transistors d’un même bras sont des « canal N », il est
nécessaire de disposer d’une commande « flottante » (c.- à-d. qui ne soit pas liée
à un potentiel fixe du circuit) pour les transistors « du haut » (c.-à-d. celui dont
le drain est connecté au positif de l’alimentation de puissance), celui du haut
pouvant être porté à une tension de 500V ce qui est nettement plus que ce qui
nous est nécessaire, L’alimentation de la logique de commande de ces
transistors est réalisée par une technique dite de « bootstrap » : l’électronique de
commande des transistors MOS de puissance du haut est alimentée par les
condensateurs (figure (2-8)), dont la recharge est assurée par connexion à
l’alimentation 15V pendant le laps de temps où le transistor du bas conduit, ce
condensateur étant ensuite déconnecté pour servir l’alimentation autonome
lorsque le transistor du haut et son électronique de commande se trouvent portés
au potentiel haut de la source.
Dans ce montage, les condensateurs C (CAPPA) assurent le filtrage des
alimentations, VCC et VB. La tension VCC doit être comprise entre 10v et 20v,
la tension VDD entre 4,5v et 20v. L'alimentation VB est obtenue à partir de
VCC, par charge de CAPPA à travers D7 lorsque Q2 est saturé.
Figure (2-8) : Connexion du driver IR2113 [8]
26
Le temps mort crée par le Driver est 100ns, pour des faibles courants on peut
voir la conduction des transistors mais il y a un risque de court-circuiter la
source par l’augmentation du courant [4].
Pour la résolution de ce
problème on a créé un temps
mort de 4 us fig.(2-9) et il est
nécessaire d’éviter un court-
circuit des deux transitoire
d’un même bras [4].
2-12- Partie puissance :
Le bloc de puissance comporte :
Un pont à six transistors de puissance, on choisit d’utiliser des
MOSFETs de type IRFP460, ils sont capables de tenir une différence de
potentiel de 500V entre drain et la source (VDSS) et un courant de drain
de 20A (ID), Ces transistors seront identifiés Q1, Q2…Q6 sur le schéma
complet, les grilles des transistors seront commandées chacune par
l’intermédiaire d’une résistance ont la valeur nominale est référencée par
le constructeur est de 22Ω, Cette résistance a pour effet de ralentir
certaines phases de la commutation de façon à obtenir un compromis
entre dV/dt maximum et pertes par commutation. On notera que, dans les
conditions de fonctionnement qui seront les nôtres la tension de grille
nécessaire à la mise en conduction d’un transistor est 15V (VGS).
Diodes de ROUE LIBRE on antiparallèles au transistor MOS a but
d’assurer la continuité de courant.
Radiateurs de refroidissement.
Source d’alimentation continue.
L’objectif de bloc de puissance est générer des ondes de tension et de courant
alternatives de forme proche d’une sinusoïde.
2-13- Réalisation de l’onduleur triphasé :
L'onduleur réalisé contenir tous les parties qu’on mentionner dans (le titre N=4)
C.-à-d. un seul circuit comporte la carte ARDUINO, partie de commande
rapproché et la partie de puissance.
Fig. (2-9) : un retard de 4 us entre deux signaux complémentaires
27
Notre réalisation ce passe par plusieurs étapes :
Simulation de circuit sous l’environnement ISIS.
Création de circuit imprimé sous l’environnement ARES.
Impression de la carte et emplacement des composants.
2-14- Simulation de l’onduleur :
Le Schéma ci-dessous présente le montage d’un onduleur triphasé sous ISIS :
Montage de l’onduleur triphasé sous ISIS Les résultats obtenus de l’onduleur commandé par une commande MLI pour une charge RL :
Nous avons obtenu un courant sinusoïdal et symétrique
Q1IRFP460
Q2IRFP460
Q3IRFP460
Q5IRFP460
Q4IRFP460
Q6IRFP460
R4
20R5
20
HIN10
LIN12
VB6
HO7
VS5
LO1
COM
2
SD11
VC
3 DRIVER1
IR2112
D7
1N4007
R6
20R7
20
R8
20R9
20
HIN10
LIN12
VB6
HO7
VS5
LO1
COM
2
SD11
VC
3 DRIVER2
IR2112
D8
1N4007
HIN10
LIN12
VB6
HO7
VS5
LO1
COM
2
SD11
VC
3 DRIVER3
IR2112
D9
1N4007
R10
20k
R11
20k
R12
20k
R13
20k
R14
20k
R15
20k
R16
1k
R17
1k
R18
1k
R19
1k
R20
1k
R21
1k
R22
10k
R23
10k
R24
10k1
PHASE 1
CONN-SIL11
PHASE 2
CONN-SIL11
PHASE 3
CONN-SIL1
1
SOURCE+
CONN-SIL1
1
SOURCE-
CONN-SIL1
C111470nF
C222470nF
C333470nF
D130EPH06
D230EPH06
D330EPH06
D430EPH06
D530EPH06
D630EPH06
CAPA110uF
CAPA210uF
CAPA310uF
CAPA410uF
CAPA510uF
CAPA610uF
1
2
3
4
5
6
7
J1
CONN-SIL7
1
2
3
4
5
6
7
8
J5
CONN-SIL8
1
2
3
J6
CONN-SIL3
1
2
3
4
5
6
7
8
J7
CONN-SIL8
1
2
3
4
5
6
7
8
J8
CONN-SIL8
1
2
3
4
5
6
7
J4
CONN-SIL7
1 2
INVER1:A
7404
1 2
INVER2:A
7404
1 2
INVER3:A
7404
1 2
INVER4:A
7404
1 2
INVER5:A
7404
1 2
INVER6:A
7404
7
6
2
3
OPTO1
OPTOCOUPLER-NAND
7
6
2
3
OPTO2
OPTOCOUPLER-NAND
7
6
2
3
OPTO3
OPTOCOUPLER-NAND
7
6
2
3
OPTO4
OPTOCOUPLER-NAND
7
6
2
3
OPTO5
OPTOCOUPLER-NAND
7
6
2
3
OPTO6
OPTOCOUPLER-NAND
1
2
J9
CONN-SIL2
1
2
J3
CONN-SIL2
DIG
ITA
L (P
WM
~)
AN
AL
OG
IN
AREF
13
12
~11
~10
< 0
~9
8
7
~6
~5
4
~3
2
> 1SIM
ULIN
O M
EG
AA
RD
UIN
O
A0
A1
A2
A3
A4
A5
RESET
5V
GND
PO
WE
R
www.arduino.ccblogembarcado.blogspot.com
20
TX0
14
15
16
17
18
19
A15
A8
A9
A10
A11
A12
A13
A14
A6
A7
RX0
21
TX3
RX3
TX2
RX2
TX1
RX1
SDA
SCL
CO
MM
UN
ICA
TIO
N
AT
ME
GA
25
60
AT
ME
L
52
50
48
53
51
49
DIGITAL
46
44
42
40
38
36
34
32
30
28
26
24
22
47
45
43
41
39
37
35
33
31
29
27
25
23
SIM1SIMULINO MEGA
1
2
3
U1:A
74F08
4
5
6
U1:B
74F08
9
10
8
U1:C
74F08
12
13
11
U1:D
74F08
1
2
3
U2:A
74F08
4
5
6
U2:B
74F08
9
10
8
U2:C
74F08
12
13
11
U2:D
74F08
1
2
3
U3:A
74F08
4
5
6
U3:B
74F08
9
10
8
U3:C
74F08
12
13
11
U3:D
74F08
28
Courant pour une charge RL
2-15- Création de circuit imprimé sous l’environnement ARES :
On a créé ce circuit avec l’environnement ARES sous ISIS proteus :
Le circuit imprimé sous Ares
29
2-16- Impression de la carte et emplacement des composants :
On a placé les composants électroniques sur la carte imprimé :
La carte de l’onduleur
2-17- Essais expérimentaux :
Avant que nous testons notre onduleur sur une machine alternative nous avons
testé d’abord les signaux a la sortie des drivers et nous avons obtenu (fig. 2-10)
Fig. (2-10) 2 signaux complémentaires Un ZOOM
2-18- Banc d’essai :
Malgré que les signaux a la sortie des drivers sont bon, et que nous avons fait
plusieurs tests mais malheureusement on a eu un problème avec notre onduleur,
et on n’arrive pas à le découvrir :
30
Banc d’essai de l’onduleur
2-19- Conclusion :
Nous avons réalisé notre onduleur a fin de commander le moteur asynchrone mais à
cause de ce dilemme, on a utilisé un onduleur du LABO (SEMIKRON) pour pouvoir
continuer notre projet.
31
32
1- Introduction :
Pour notre étude, on va commander le moteur asynchrone par une commande scalaire
en boucle fermée, Pour varier la vitesse d'une machine asynchrone triphasée en
alimentant son stator avec des tensions et fréquences variables, à partir du réseau
triphasé à tension et fréquence fixes, et en attaquant l’onduleur avec une commande
MLI qu’on a créé avec une carte arduino Mega.
2- La carte arduino mega 2560 :
On a choisi cette carte parce qu’on a besoin plus de timers et plus de sorties du
signal MLI.
Vue ensemble ;
La carte Arduino Mega 2560 est une carte à microcontrôleur basée sur un
ATmega2560
Cette carte dispose :
- de 54 broches numériques
d'entrées/sorties (dont 14
peuvent être utilisées en sorties
PWM (largeur d'impulsion
modulée)),
- de 16 entrées analogiques
(qui peuvent également être
utilisées en broches
entrées/sorties numériques),
- de 4 UART (port série
matériel),
- d'un quartz 16Mhz,
- d'une connexion USB,
- d'un connecteur d'alimentation jack,
- d'un connecteur ICSP (programmation "in-circuit"),
- et d'un bouton de réinitialisation (reset).
3- La réalisation de la commande scalaire :
Le premier essai que nous avons fait est la commande scalaire en boucle ouverte
(V/f constant). C'est-à-dire, nous avons limité la fréquence entre 0 et 50hz, et donc
l'amplitude entre 0 et 0.9 à l'aide d'un potentiomètre.
La deuxième tâche que nous avons fait consiste, premièrement, à capter la vitesse
du moteur avec un codeur incrémental et deuxièment, à fermer la boucle en
introduisant le régulateur de vitesse qui nous permet de calculer la fréquence tout en
revenant à la vitesse de référence partant de (ωs/2π).
33
Tout ceci influence automatiquement
sur le M, à travers lequel nous pouvons
lire les signaux. Par la suite, nous
réussirons à influencer sur l'onduleur par
la fréquence et l'amplitude des signaux
MLI en boucle fermée grâce au régulateur.
3-1- Le codeur incrémental :
Le codeur incrémental est un capteur angulaire de position. Il est destiné à des
applications de positionnement, de contrôle de
déplacement ou de mesure de vitesse d'un mobile,
par comptage et décomptage des impulsions qu'il
délivre. Son axe est lié mécaniquement à l’arbre de
la machine qui l’entraîne. Il fait tourner un disque
incassable comportant des zones opaques et
transparentes. Une diode L.E.D. émet un
rayonnement lumineux arrivant sur des photodiodes
au passage de chaque zone transparente du disque.
Le codeur incrémental délivre des impulsons permettant la définition d’une direction
et un comptage.
On a utilisé Le codeur GI355 (de 1024 impulsions) par tour qu’on a le placer sur
l’arbre du notre moteur chez le tourneur, et grâce au programme de bouchoukh
faysal (étudiant en master 2 2014) on a pu capter la vitesse.
3-2- La régulation du courant dans un circuit R-L muni d’une diode de roue libre :
Pour des raisons de méthodologie, nous avons décidé de commencer par la
régulation du courant circulant dans un circuit RL qui est alimenté par un hacheur
série ; la régulation est réalisée moyennant un régulateur de type PI. Le schéma de
montage est validé sous l’environnement du logiciel ISIS comme le montre la figure
suivante :
34
3-2-1 Résultats de la simulation de la régulation du courant dans un circuit R-L (Hacheur)
sous l’environnement ISIS:
On a réalisé un hacheur Série sur isis proteus et on voit que le courant et suit la
référence.
Poursuite du courant au signal de référence (sinus) la commande MLI de hacheur
4- La méthode du DDS :
DDS (Direct digital synthesis) c’est la Synthèse numérique directe, est une technique
pour l'utilisation de blocs de traitement de données numériques comme cela signifie pour
générer un signal de sortie en fréquence et en phase accordable en référence à une
fréquence fixe de la source d'horloge de haute précision. En substance, la fréquence
d'horloge de référence est "divisée vers le bas" dans l'architecture du DDS par le facteur
d'échelle indiqué dans un système binaire programmable. L'accordage est généralement
de 24 à 48 bits qui permettent une mise en œuvre du DDS à fournir une fréquence de
sortie supérieure de la résolution d'accordage.[11]
4-1- Les avantages de la méthode :
- La résolution de réglage de la fréquence de sortie, et le degré de sous-
réglage de la capacité de phase, et le tout sous un contrôle numérique complet.
- Extrêmement rapide "Vitesse de saut" de la fréquence de sortie de réglage
(ou phase).
- L'architecture numérique DDS élimine la nécessité de la mise au point du
système d'emploi et ajustements.
35
- L'interface de control numérique de l'architecture DDS facilite un
environnement où Les systèmes peuvent être contrôlés à distance, et
minutieusement optimisés, sous le contrôle du processeur.[11]
4-2- La théorie de la méthode :
Dans sa forme la plus simple, un synthétiseur numérique direct peut être mis en
œuvre à partir d'une référence de précision
Horloge, un compteur d'adresse, une mémoire morte programmable (PROM), et
un convertisseur N / A (voir
Figure (3-1).
Fig. (3-1)
Dans ce cas, les informations d'amplitude numérique qui correspond à un cycle
complet d'une onde sinusoïdale sont mémorisées dans la mémoire PROM. La
PROM est donc fonctionne comme un tableau de consultation de sinus.[11]
5- Résultat expérimentaux :
On a donné une vitesse de référence de 450tr/min et on a obtenu des résultats comme
suit :
36
6- Banc essai :
Notre banc d’essai est composé d’un moteur asynchrone triphasé 1.1 kW, un onduleur
triphasé SEMIKRON 3kW, un capteur de vitesse GI355, une carte Arduino-Mega ainsi
que des circuits électroniques dédiés pour la communication entre les différents
composants (codeur incrémentale, carte arduino, onduleur).
Le moteur asynchrone utilisé présente les paramètres suivants :
Paramètres Valeurs
Rs 4.89 𝛺
Rr 1.32 𝛺
Ls 0.42 H
Lr 0.026 H
M 0.063 H
J 0.06 Kg. m2
F 0.008 Kg. m2/s
P 2
Les paramètres de la machine asynchrone et le gain proportionnel (Kp) et intégral
(Ki).
37
38
7- Conclusion générale :
Le travail présenté dans ce mémoire concerne la réalisation d’un onduleur de tension
triphasé et faire un contrôle scalaire d’une machine asynchrone triphasée. Il repose sur
un modèle en régime permanent. Il est simple à implanter.
Le contrôle scalaire exige une puissance de calcul qui est à la portée des cartes
ARDUINO et microcontrôleurs actuels pour une implémentation numérique.[5]
Au court de notre travail, nous avons réalisé un banc d’essai pour la commande scalaire
en boucle fermée que ce soit la carte de commande à base d’Arduino, un algorithme
numérique a était implanté en utilisant la synthèse numérique directe ainsi que une carte
d’interface entre la commande et le circuit de puissance.[5]
Le premier chapitre de ce mémoire a été consacré à la modélisation de la machine
asynchrone en vue de sa commande. Le second chapitre a été sur la simulation et la
réalisation de l’onduleur triphasé.
Finalement, le troisième chapitre a été consacré pour la réalisation d'un banc d'essai pour
la commande en V/f en boucle fermée de la machine asynchrone.
39
1- Bibliographie :
[1]- Max Marty, Daniel Dixneuf, Delphine Garcia Gilabert « Principes d’électrotechnique »
Livre DUNOD
[2]- Bernard de FORNEL « Machines asynchrones - Commande par contrôle scalaire»,
D3622.
[3]- BOUDOUH SOFIAN ‘’ Commande scalaire de la machine asynchrone avec l’injection
de l’harmonique 3 ‘’ mémoire du master,univ mentourie constantine 2011.
[4]- TALBI TAHAR ‘’ CONCEPTION ET REALISATION D’UN ONDULEUR DE TENSION
TRIPHASE COMMANDE PAR UNE CARTE ARDUINO ’’ mémoire de master 2014.
[5]- Guermache Hanane ‘’ commande scalaire de la machine asynchrone ‘’ mémoire de
master 2014.
[6]- J.P. HAUTIER et J.P. CARON« Modélisation et commande de la machine asynchrone »
[7]- L.BAGHLI 2005 IUFM de Lorraine.UHP « Modélisation et commande de la machine
asynchrone »
[8]- ATTOU AMIN « commande scalaire d’une machine asynchrone » mémoire de
master ,université bellabes 2010/11
[9]-Mr. BOUZID ALLAL El Moubarek « Onduleur triphasé commandé par la Stratégie
d’Élimination d’Harmonique « SHE
[10]- datasheet des composants électroniques.
[11]- Michael Chapman’’ Development of a Low Voltage Three Phase Power Supply for Educational
Use’’ 2013.