dimensionnement condensateur
DESCRIPTION
décris les dispositifs comme le condensateur et autresTRANSCRIPT
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MINISTERE DE LENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE
SCIENTIFIQUE
UNIVERSITE FERHAT ABBAS - SETIF UFAS (ALGERIE)
THESE DE DOCTORAT EN SCIENCES
Prsent au dpartement dElectrotechnique
Facult de Technologie Pour Obtenir le titre de
Docteur En Electrotechnique
Spcialit : Commande Electrique
Par
BOUAFIA ABDELOUAHAB
Thme
TECHNIQUES DE COMMANDE PREDICTIVE ET FLOUE POUR LES SYSTEMES DELECTRONIQUE DE
PUISSANCE: APPLICATION AUX REDRESSEURS A MLI
Soutenu le : 06/10/2010 devant la commission dexamen compose de :
Pr. MOSTEFAI Mohamed Prsident Universit de Stif Pr. KRIM Fateh Directeur de thse Universit de Stif Dr. GAUBERT Jean-Paul Examinateur Universit de Poitiers Dr. RAMBAULT Laurent Examinateur Universit de Poitiers Pr. REKIOUA Toufik Examinateur Universit de Bjaia Pr. BACHA Seddik Examinateur Universit de Grenoble
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Techniques de Commande Prdictive et Floue pour les Systmes dElectronique de Puissance : Application aux
Redresseurs MLI
Mots cls : Keywords :
Electronique de puissance Pollution/dpollution harmonique Redresseurs MLI Facteur de puissance unitaire Contrle de courant Puissance instantane Contrle direct de puissance Commande prdictive Logique floue
Power electronics Harmonic pollution/elimination PWM rectifiers Unity power factor Current control Instantaneous power Direct power control (DPC) Predictive control Fuzzy logic
Rsum :
Cette thse sinscrit dans les travaux de recherche mens sur les moyens modernes, base de llectronique de puissance, de dpollution harmonique du rseau de distribution de lnergie lectrique. Cette pollution constitue actuellement un problme majeur surtout dans lindustrie. Elle est cause principalement par les charges non-linaires, prlevant sur le rseau des courants non sinusodaux. Les convertisseurs statiques, surtout les redresseurs diodes et thyristors, sont de nature non-linaire et reprsentent la principale source dinjection de courants harmoniques dans le rseau. Ils requirent donc une attention particulire afin de rduire leurs taux dharmonique en courant. Dans ce contexte, les solutions modernes prventives adoptes, en plus du filtrage actif qui reprsente une solution curative, consiste remplacer les redresseurs classiques par de nouvelles structures de convertisseurs AC/DC non polluants, dont le comportement vis--vis du rseau est de nature rsistive. Ce travail apporte une contribution la commande du redresseur de tension MLI absorption de courant sinusodal. En effet, diffrentes stratgies de commande ont t dveloppes, simules et valides sur un banc dessai exprimental dont le but commun est dobtenir un rglage performant de la tension du bus continu et un prlvement de courants sinusodaux. Ces stratgies sont bases soit sur le contrle direct des courants absorbs soit sur le contrle direct des puissances instantanes (DPC). De plus, elles sont combines avec des commandes dites avances, comme les approches floues et prdictives appliques aux deux techniques de contrle nonces prcdemment. La simulation de toutes ces mthodes a t mise en uvre laide du logiciel Matlab/SimulinkTM et limplantation en temps rel a t labore grce une carte contrleur du systme dSPACE 1104.
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Avant propos.
Le travail prsent dans ce mmoire a t ralis en collaboration entre le Laboratoire dElectronique de Puissance et Commande Industrielle (LEPCI) de lUniversit de Stif, Algrie, et le Laboratoire dAutomatique et dInformatique Industrielle (LAII) de lUniversit de Poitiers, France, dans le cadre dune convention de cotutelle de thse entre les deux universits.
A lissue de ce travail je tiens adresser ma reconnaissance et mes remerciements toutes les personnes qui ont contribu, chacune leur manire, laccomplissement de cette thse.
Tout dabord, je tiens remercier vivement les membres de jury pour avoir accept dvaluer ce travail et ce mmoire :
Monsieur Mohamed MOSTEFA, Professeur lUniversit de Stif, Algrie, davoir accept de juger mon travail et de prsider le jury de soutenance de cette thse.
Messieurs Seddik BACHA, Professeur lUniversit de Grenoble, France, et Toufik REKIOUA, Professeur lUniversit de Bejaia, Algrie, pour mavoir fait lhonneur daccepter dtre les rapporteurs de cette thse.
Je tiens galement remercier trs chaleureusement mes directeurs de thse :
Monsieur Fateh KRIM, du ct Algrien, Professeur lUniversit de Stif, pour son encadrement, son suivi permanent et ses prcieux conseils.
Monsieur Laurent RAMBAULT, Matre de Confrences lUniversit de Poitiers, mon directeur de thse du cot Franais, pour son encadrement et sa confiance dans ce travail.
Monsieur Jean-Paul GAUBERT, Matre de Confrences lUniversit de Poitiers, mon encadreur de thse, pour son aide, son soutien permanent et pour mavoir trait toujours aussi chaleureusement.
Je suis trs reconnaissant au directeur du Laboratoire dAutomatique et dInformatique Industrielle (LAII), Professeur Grard CHAMPENOIS, pour laccueil chaleureux et pour mavoir donn lopportunit de raliser la partie exprimentale de cette thse au sein de son laboratoire.
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Listes des Symboles et Acronymes
Symboles : ea, eb, ec va, vb, vc ia, ib, ic vdc, Idc vL
( )v k Ich - d-q i, i id, iq Sa, Sb, Sc Tsa, Tsb, Tsc SP, Sq Ls , rs L, r C x M I1, Ih V1, Vh 1, h W S P q D P*, q*
P, q i Zcc1, Zcch I FA A(x) min(A(x), B(x)) max(A(x), B(x)) hgt(A)
Tensions simples du rseau Tensions simples lentre du pont redresseur Courants dbits par le rseau Tension et courant du bus continu Tension aux bornes de linductance de couplage Valeur moyenne de v Courant de charge Repre stationnaire Repre synchrone tournant Composantes du vecteur courant dans le repre stationnaire Composantes du vecteur courant dans le repre synchrone Signaux de commande des interrupteurs de puissance Largeurs des limpulsions des signaux MLI Sortie digitale des comparateurs hystrsis des puissances P et q Inductance et rsistance de la source Inductance et rsistance de la bobine de couplage Capacit du condensateur du bus continu Dphasage entre les deux vecteurs e et v Variable dtat Transformation de Park Valeur efficace du courant fondamental et du courant harmonique de rang h Valeur efficace de la tension fondamentale et de lharmonique de rang h Dphasage du courant fondamental et du courant harmonique de rang h Energie lectrique Puissance apparente Puissance active Puissance ractive Puissance dformante Rfrence de la puissance active et ractive Variation de la puissance active et ractive Position du vecteur de tension dans le repre stationnaire Secteur numro i Pulsation fondamentale du rseau Impdance de court-circuit la frquence fondamentale et du rang h Largeur de la bande hystrsis Fonction dappartenance du sous-ensemble flou A Complment du sous-ensemble flou A Degr dappartenance de x au sous-ensemble A Minimum des deux degrs dappartenance Maximum des deux degrs dappartenance Hauteur du sous-ensemble flou A
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Listes des Symboles et Acronymes
supp(A) noy(A) -cut(A) u s Ts T E
, , Le v v i
Support du sous-ensemble flou A Noyau du sous-ensemble flou A Coupe de niveau du sous-ensemble flou A Sortie du contrleur flou Ecart de rglage Variation de lcart de rglage Frquence dchantillonnage Priode dchantillonnage Largeur du crneau centr pour le redresseur monophas Valeur efficace de la tension compose du rseau Vecteur de tension complexe du rseau, du redresseur et aux bornes de L Vecteur de courant complexe dbit par le rseau
Acronymes : MLI PWM HCC VOC VFOC VSC DPC P-DPC V-DPC VF-DPC DTC AC/DC FACTS SVC STATCOM TCSC UPFC PFC THD P-DCC SVM FP HVDC MT BT FAP FAS UPS UPF PLL PI
Modulation de Largeur dImpulsion Pulse Width Modulation Hysteresis Current Control Voltage Oriented Control Virtual-Flux-based Oriented Control Voltage Source Converter Direct Power Control Predictive Direct Power Control Voltage-based Direct Power Control Virtual-Flux-based Direct Power Control Direct Torque Control Conversion alternative continue Flexible Alternating Current Transmission Systems Static Var Compensator Static Synchronous Compensator Thyristor Controlled Series Capacitor Unified Power Flow Controller Power Factor Correction Total Harmonic Distortion Predictive Direct Current Control Space-Vector Modulation Facteur de Puissance High Voltage Direct Current Moyenne Tension Basse Tension Filtre Actif Parallle Filtre Actif Srie Uninterruptible Power Supply Unit Power Factor Phase Locked Loop Regulateur Proportionnel intgral
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Table des Matires
i
Table des Matires Itroduction Gnrale .........................................................................................................................1
Chapitre 1 : La Pollution Harmonique due aux Convertisseurs Statiques : Causes et Remdes
1.1 Introduction...........................................................................................................................................6
1.2 Qualit de lnergie lectrique ...........................................................................................................7
1.3 Problmatique des harmoniques ........................................................................................................7
1.3.1 Origine des harmoniques ..............................................................................................................8
1.3.2 Caractrisation des harmoniques.................................................................................................9
1.3.3 Concquences nfastes des harmoniques ................................................................................ 11
1.4 Perturbations produites par les redresseurs commutation naturelle ........................................ 13
1.5 Normes et rglementations .............................................................................................................. 15
1.6 Solutions possibles pour rduire les harmoniques et damliorer la qualit de lnergie ....... 17
1.6.1 Solutions traditionnelles de dpollution .................................................................................. 18
1.6.2 Solutions modrnes base dlectronique de puissance ....................................................... 20
1.6.2.1 Filtres actifs ....................................................................................................................... 20
1.6.2.2 Filtres actifs hybrides ....................................................................................................... 22
1.6.2.3 Les alimentations sans interruption................................................................................ 23
1.6.2.4 Les FACTS ........................................................................................................................ 24
1.6.2.5 Prlvement sinusodal........................................................................................................ 26
1.6.2.5.1 Correction du facteur de puissance PFC ................................................................. 26
1.6.2.5.2 Redresseurs injection de courant........................................................................... 27
1.6.2.5.3 Redresseurs MLI ..................................................................................................... 28
1.7 Conclusion ........................................................................................................................................ 30
Chapitre 2 : Commande par Hystrsis du Redresseur MLI de Tension
2.1 Introduction........................................................................................................................................ 32
2.2 Onduleur de tension triphas : applications et stratgies de commande ................................... 33
2.3 Le redresseur MLI de tension ...................................................................................................... 36
2.3.1 Structure et principe de fonctionnement ................................................................................. 36
2.3.2 Modes dopration redressement/rgnration ...................................................................... 40
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Table des Matires
ii
2.3.3 Modles du redresseur de tension MLI................................................................................. 41
2.3.4 Dimentionnement des lments passifs ................................................................................... 45
2.4 Etat de lart de la commande du redresseur MLI....................................................................... 47
2.5 Contrle par hystrsis des courants prlevs ............................................................................... 49
2.5.1 Structure du contrle de courant par hystrsis ...................................................................... 51
2.5.2 Boucle de rgulation de la tension du bus continu ................................................................. 51
2.6 Logique floue et contrleur flou ....................................................................................................... 53
2.6.1 Concepts fondamentaux de la logique floue ........................................................................... 54
2.6.1.1 Variables linguistiques et les ensembles flous ................................................................. 55
2.6.1.2 Fonctions dappartenance.................................................................................................... 57
2.6.1.3 Oprateurs sur les sous-ensembles flous........................................................................... 58
2.6.2 Raisonnement en logique floue................................................................................................. 60
2.6.3 Infrences floues ......................................................................................................................... 62
2.6.4 Structure dun systme de commande floue............................................................................ 63
2.7 Synthse du contrleur flou du bus continu................................................................................... 67
2.7.1 Structure du contrleur flou propos........................................................................................ 68
2.7.2 Mise en uvre pratique du contrleur flou ............................................................................. 71
2.8 Description du banc dessai exprimental...................................................................................... 72
2.9 Rsultats de simulation et exprimentaux...................................................................................... 73
2.10 Conclusion ...................................................................................................................................... 78
Chapitre 3 : Contrle Direct de Puissance du Redresseur Triphas MLI
base dune Table de Commutation Prdfinie
3.1 Introduction ........................................................................................................................................ 82
3.2 Etat de lart du contrle direct de puissance (DPC)...................................................................... 83
3.3 Principe du DPC avec table de commutation prdfinie ............................................................. 84
3.4 DPC classique .................................................................................................................................... 85
3.4.1 Expressions des puissances instantanes ................................................................................. 86
3.4.2 Rsultats de simulation et exprimentaux ............................................................................... 87
3.4.3 Conclusion ................................................................................................................................... 90
3.5 DPC propos ...................................................................................................................................... 91
3.5.1 Etude des variations des puissances instantanes................................................................... 91
3.5.2 Elaboration de la nouvelle table de commutation .................................................................. 94
3.5.3 Rsultats de simulation et exprimentaux ............................................................................... 95
-
Table des Matires
iii
3.5.4 Principe du contrle flou de la tension du bus continu pour le DPC................................... 98
3.5.5 Rsultats exprimentaux du contrle flou du bus continu .................................................. 100
3.6 DPC flou........................................................................................................................................... 102
3.6.1 Synthse des rgles floues....................................................................................................... 103
3.6.2 Rsultats de simulation et exprimentaux............................................................................ 104
3.7 Etude comparative........................................................................................................................... 108
3.8 Conclusion ...................................................................................................................................... 110
Chapitre 4 : Commande Prdictive de Courants Absorbs par le Redresseur MLI
4.1 Introduction...................................................................................................................................... 112
4.2 Principe de la commande prdictive............................................................................................. 113
4.3 Commande prdictive de courant du redresseur monophas .................................................... 115
4.3.1 Commande prdictive pour le fonctionnement deux niveaux ......................................... 116
4.3.2 Commande prdictive pour le fonctionnement trois niveaux.......................................... 118
4.3.3 Rsultats de simulation et exprimentaux............................................................................. 120
4.4 La MLI vectorielle .......................................................................................................................... 125
4.5 Commande prdictive de courants du redresseur triphas ........................................................ 128
4.5.1 Commande prdictive de courants avec optimisation ......................................................... 129
4.5.1.1 Estimation des rfrences des courants commands ..................................................... 131
4.5.1.2 Rsultats dimplmentation en simulation et de validation pratique .......................... 132
4.5.2 Commande prdictive de courants avec rponse pile .......................................................... 135
4.5.2.1 Commande prdictive des courants i et i ..................................................................... 136
4.5.2.2 Commande prdictive des courants id et iq .................................................................... 137
4.5.2.3 Rsultats de simulation...................................................................................................... 140
4.5.2.4 Rsultats exprimentaux ................................................................................................... 144
4.6 Conclusion ...................................................................................................................................... 148
Chapitre 5 : Commande Directe de Puissance Prdictive du Redresseur Triphas MLI
5.1 Introduction...................................................................................................................................... 150
5.2 Modle prdictif du redresseur MLI command en puissance .............................................. 150
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Table des Matires
iv
5.3 Commande directe de puissance prdictive (P-DPC) avec slection du vecteur de commande
optimal..................................................................................................................................................... 152
5.3.1 Prdiction des rfrnces des puissances instantanes .......................................................... 154
5.3.2 Principe de slection du vecteur de commande optimal...................................................... 155
5.3.3 Rsultats de simulation et pratiques ....................................................................................... 157
5.4 Commande directe de puissance prdictive (P-DPC) avec rponse pile ................................. 159
5.4.1 P-DPC avec rponse pile dans le repre stationnaire -.................................................... 160
5.4.2 P-DPC avec rponse pile dans le repre tournant d-q.......................................................... 161
5.4.3 Rsultats de simulation et pratiques de la P-DPC avec rponse pile ................................ 163
5.4.3.1 Rsultats de la P-DPC dans le repre stationnaire - ............................................... 163
5.4.3.2 Rsultats de la P-DPC dans le repre d-q .................................................................... 165
5.4.4 Interprtation des rsultats.................................................................................................... 167
5.5 Etude comparative........................................................................................................................... 168
5.6 Conclusion ....................................................................................................................................... 169
Conclusion Gnrale......................................................................................................................171 Annexe A
Annexe B
Annexe C
Annexe D
Rfrences Bibliographiques
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Introduction Gnrale
1
Introduction Gnrale
La qualit de lnergie est un concept assez large qui recouvre la fois la qualit de la fourniture
lectrique, celle de londe de tension et la qualit des courants. Lamlioration de la qualit de lnergie
sur les rseaux de distribution lectrique, devient de nos jours, un enjeu important tant pour les
gestionnaires des rseaux que pour les exploitants de lnergie lectrique. En exploitation normale, la
qualit de llectricit se rduit principalement la qualit de londe de tension dlivre. Lorsque cette
tension est prsente, les principaux phnomnes pouvant laffecter sont : les creux de tension de courtes
ou longues dures, le flicker, la surtension, le dsquilibre ou les harmoniques. En revanche, la qualit
des courants reflte la possibilit des charges fonctionner sans perturber ni rduire lefficacit du
systme de puissance. Habituellement, la qualit de londe de tension fait rfrence la mesure du degr
de conformit dune source dalimentation lectrique par rapport un certain nombre de critres ou de
normes caractre quantitatif et absolu. Les principaux paramtres caractrisant une tension triphase
sont la frquence, lamplitude, la forme donde qui doit tre sinusodale et la symtrie du systme
caractrise par lgalit des modules des trois tensions et de leurs dphasages relatifs. Tout phnomne
physique affectant un ou plusieurs de ces paramtres est considr comme perturbation.
La prsence des harmoniques dans le rseau lectrique, appele galement pollution harmonique,
est lun des phnomnes importants entranant la dgradation de la qualit de lnergie, plus
particulirement la dformation ou la distorsion de londe de tension. Cette distorsion rsulte de la
superposition, sur londe de tension fondamentale, dondes galement sinusodales mais de frquences
multiples de celle du fondamental. Nous pouvons galement observer des sous-harmoniques ou des inter-
harmoniques des frquences non multiples de la frquence fondamentale. Ce phnomne est souvent la
cause dune mauvaise exploitation de lnergie lectrique et risque dendommager les appareils
lectriques connects aux rseaux. Les consquences nfastes les plus connues de la pollution
harmonique se rsument dans la destruction de condensateurs, le dclenchement intempestif de
protections lectriques, les phnomnes de rsonance avec les lments composants le rseau,
lchauffement du conducteur de neutre des transformateurs ainsi que lusure qui est due
lchauffement des quipements soumis aux harmoniques.
De plus, la pollution harmonique du rseau de distribution de lnergie lectrique constitue
actuellement un problme majeur surtout en industrie. La prsence de ce phnomne gnant est due
principalement aux charges non linaires. En effet, les charges non linaires dans les secteurs industriels
et domestiques, crant des courants non sinusodaux et/ou dphass par rapport la tension, engendrent
des pollutions harmoniques, une augmentation de la valeur du courant efficace, une acclration du
vieillissement de certains matriels. Ces charges non linaires ou polluantes, sont principalement les
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Introduction Gnrale
2
convertisseurs statiques dlectronique de puissance tels que les redresseurs diodes ou thyristors, les
gradateurs, le matriel informatique via leur alimentation, les lampes fluorescentes,..etc.
Dautre part, lutilisation croissante dans le secteur industriel de systmes aliments
lectroniquement et pilotables, motive par lamlioration de leurs performances, a conduit une
prolifration de convertisseurs statiques. Aujourdhui, le nombre de ces dispositifs raccords aux rseaux
lectriques est en constante progression. Le fonctionnement en rgime de commutation des composants
semi-conducteurs constituant ces convertisseurs est la raison pour laquelle leur comportement vis--vis
de la source dalimentation est non linaire. En effet, ils prlvent des courants non sinusodaux et pour
la plupart consomment de la puissance ractive ce qui pose de srieux problmes aux rseaux lectriques.
Les convertisseurs statiques sont devenus alors les sources dharmoniques les plus importantes sur le
rseau. Le redresseur non contrl diodes et contrl thyristors reprsente le convertisseur statique le
plus polluant et trs rpandu aussi bien dans lindustrie que dans lappareillage domestique. Il peut
introduire sous certaines conditions dopration un taux de distorsion harmonique (THDi) de courant
suprieur 30%. Pour cette raison, certaines normes internationales adaptes rcemment, telles que IEEE
Standard 519, CEI 61000 et EN 50160, imposent des limites aux THD des courants et tensions au sein
du rseau dalimentation (5% pour les courants et 3% pour les tensions).
Devant cet tat de fait, et afin de limiter le taux de perturbation harmonique provoque par les
systmes dlectronique de puissance connects au rseau, il est apparat ncessaire de dvelopper des
dispositifs curatifs tel que le filtrage actif dune part et dautre part de concevoir des actions prventives
comme les convertisseurs non polluants, dots dun dispositif de commande rendant le courant prlev
sur le rseau le plus sinusodal possible. Dans ce contexte et depuis une dizaine dannes, des
convertisseurs statiques non polluants 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 peuvent tre diviss en trois classes :
redresseur diodes avec correcteur de facteur de puissance (PFC), redresseur injection de courant et
redresseur MLI de tension ou de courant. Parmi ces structures les plus rpandues et les plus attractives
se trouvent le redresseur de tension 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 de tension 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
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Introduction Gnrale
3
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 le cadre de cette problmatique de recherche sur le redresseur de tension MLI, le prsent
travail de doctorat a t effectu au sein des deux laboratoires LEPCI (Stif-Algrie) et LAII (Poitiers-
France) suite une convention de cotutelle de thse. Il porte sur llaboration de nouvelles stratgies de
commande permettant ce convertisseur statique de prlever des courants sinusodaux sur le rseau
dalimentation. Les stratgies dveloppes sont valides par simulation et implmentes en temps rel
sur un banc dessai exprimental du LAII. Elles se distinguent par leurs grandeurs commandes (courants
dentre ou puissances instantanes absorbes) et leur approche de commande avance (floue ou
prdictive).
Les diffrents dveloppements thoriques et les rsultats obtenus durant ce travail de thse sont
organiss en cinq chapitres :
Le premier chapitre dbute avec les notions sur la qualit de lnergie lectrique et les diffrentes
perturbations pouvant laffecter. La problmatique des harmoniques, leur origine, leur caractrisation et
leurs consquences nfastes sur le rseau et sur les rcepteurs, est ensuite prsente. La perturbation
harmonique produite par les redresseurs diodes et les normes et rglementations, en termes de pollution
harmonique, en vigueur sont galement exposes dans ce chapitre. Il se termine par les diffrentes
solutions, traditionnelles et modernes, de dpollution harmonique.
Le second chapitre propose un bref rappel sur les applications et la commande de londuleur de
tension triphas. Ensuite, une tude thorique dtaille est dveloppe propos de la structure et du
principe de fonctionnement, des diffrents modes dopration, de la modlisation et du choix des
lments passifs associs au redresseur de tension triphas MLI. Aprs avoir voqu ltat de lart de la
commande, nous traitons le contrle des courants absorbs par le redresseur par le biais des comparateurs
hystrsis. Nous proposons galement dans ce cadre le rglage de la tension du bus continu grce un
contrleur flou. A cet effet, une structure du contrleur flou est dcrite, simule et implmente en temps
rel sur le prototype exprimental. Nous clturons ce chapitre par une description du banc dessai
pratique et avec des rsultats exprimentaux.
Dans le chapitre trois, nous prsentons le contrle direct de puissance (DPC) du redresseur MLI
par table de commutation prdfinie. Dans ce contexte, notre contribution porte sur llaboration dune
nouvelle table de commutation plus performante et sur une nouvelle structure de DPC sans comparateurs
hystrsis utilisant une table de commutation avec slection floue. Le rglage de la tension du bus
continu par contrleur flou pour DPC est galement abord dans ce chapitre.
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Introduction Gnrale
4
Nous nous intressons dans le quatrime chapitre la commande des courants prlevs sur le
rseau par le redresseur MLI par approche prdictive. Dans un premier temps, nous traitons le cas
monophas o la commande prdictive rponse pile est adopte. Ensuite, deux approches prdictives
pour la structure triphase sont labores dont la premire consiste rsoudre un problme
doptimisation. Tandis que la deuxime assure une rponse plie du systme. La validation des approches
proposes est effectue par simulation et pratiquement sur le banc dessai du laboratoire.
Le dernier chapitre de ce mmoire est consacr la combinaison du principe du contrle direct
de puissance avec une approche prdictive (P-DPC). Aprs laboration dun modle prdictif exprim en
fonction des puissances instantanes active et ractive du redresseur de tension triphas MLI, deux
approches ont t dveloppes. La premire est base sur la slection du vecteur de commande optimal
minimisant une distance. La deuxime est base sur le calcul dun vecteur de commande moyen
appliquer par le biais de la modulation vectorielle (SVM). Les rsultats obtenus pour les deux algorithmes
en simulation et exprimentalement aprs implmentation en temps rel sont exposs.
Une conclusion gnrale de ce travail ainsi que des perspectives clturent ce mmoire.
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La Pollution Harmonique due aux Convertisseurs Statiques : Causes et Remdes
5
Chapitre 1
La Pollution Harmonique due aux Convertisseurs Statiques : Causes et Remdes
Ce chapitre prliminaire nous permet dintroduire la problmatique de notre thme de recherche et de prsenter une tude non exhaustive sur la pollution harmonique dans le rseau lectrique et les diffrents moyens de dpollution. En premier lieu, nous dfinissons les notions de la qualit de lnergie lectrique et nous identifions les diffrentes sources dharmoniques. La caractrisation et les effets nfastes des harmoniques sur le rseau lui-mme et sur les quipements lectriques couramment usits, sont galement discuts dans cette partie. Avant de prsenter les normes et les recommandations en vigueur adoptes par les gestionnaires des rseaux lectriques pour faire face aux harmoniques et rduire le taux de pollution, nous mettons en vidences les perturbations harmoniques provoques par lun des convertisseurs de llectronique de puissance le plus rpandu en pratique, il sagit du pont redresseur diodes. Les rsultats de simulation et pratiques illustrant ces perturbations sont galement prsents. Dans la seconde partie, nous exposons les diffrentes techniques possibles de dpollution harmonique, traditionnelles et modernes. Nous montrerons aussi lutilit et le rle primordial de llectronique de puissance dans le processus de dpollution et damlioration de la qualit de lnergie lectrique.
Sommaire :
1.1. Introduction ............................................................................................................................................6
1.2. Qualit de lnergie lectrique ...............................................................................................................7 1.3. Problmatique des harminoques.............................................................................................................7 1.4. Perturbations produites par les redresseurs commutation naturelle...................................................13
1.5. Nornes et rglementations ....................................................................................................................15
1.6. Solutions possibles pour rduire les harmoniques et damliorer la qualit de lnergie ....................17
1.7. Conclusion ...........................................................................................................................................30
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Chapitre 1:
6
1.1 Introduction
Le dveloppement croissant des applications de llectronique de puissance conduit, dans
certains secteurs industriels, une prolifration de convertisseurs statiques. Aujourdhui, le nombre de
ces dispositifs raccords aux rseaux lectriques est en constante progression. Ces convertisseurs
statiques apportent une plus grande souplesse et des conomies dnergie par rapport aux solutions
antrieures. Ils sont principalement destins la conversion et au traitement de lnergie lectrique entre
une source (rseau lectrique, gnrateurs synchrone ou asynchrone, batterie, renouvelable, ) et une
charge (charge passive, machines alternatives, rseau de bord, ). Le traitement consiste en une
modification des caractristiques lectriques lies la forme donde de la source dnergie lectrique,
dans lobjectif de ladapter aux spcifications de la charge. En tenant compte des niveaux de puissance
traits, cette modification doit tre ralise avec le meilleur rendement possible [1].
Un convertisseur statique est constitu dun ensemble dlments passifs ractifs qui ne
consomment pas de puissance active (inductances, condensateurs), utiliss comme moyens de filtrage ou
de stockage intermdiaire dnergie, et de composants semi-conducteurs utiliss comme interrupteurs de
puissance pour grer le transfert dnergie. Le fonctionnement en rgime de commutation de ces
interrupteurs est la raison pour laquelle les convertisseurs statiques se comportent vis--vis de la source
dalimentation comme des charges non linaires. Mme si la topologie du convertisseur est gnralement
invariable, louverture et la fermeture des interrupteurs provoquent un comportement impdance
variable par rapport la source dalimentation. Ainsi, les convertisseurs statiques absorbent des courants
non sinusodaux et pour la plupart consomment de la puissance ractive ce qui pose de nombreux
problmes aux rseaux lectriques [1].
Partant de ce fonctionnement en commutation, on peut identifier deux sortes de perturbations
provoques par les convertisseurs statiques :
la premire catgorie comprend les missions dondes lectromagntiques. Lamplitude du phnomne est directement lie au mode de commutation des interrupteurs, au cblage, et la qualit
de blindage ;
la seconde catgorie comprend les perturbations lectriques (en courant et en tension) conduites par les lignes dalimentation dont lorigine se trouve dans le comportement non linaire de ces
dispositifs. Elles peuvent tre classes, suivant la frquence, en deux familles :
- perturbations conduites haute frquence (suprieure 2 kHz) qui peuvent tre attnues par les lignes de distribution ;
- perturbations conduites basse frquence (infrieure 2 kHz) dont les diffrentes techniques de contrle tentent de les minimiser.
Lobjet de ce premier chapitre est danalyser, dans un premier temps, linfluence des perturbations
et des courants harmoniques dans le rseau lectrique surtout celles produites par les redresseurs
classiques commutation naturelle. Nous prsentons galement dans cette partie les normes et les
-
La Pollution Harmonique due aux Convertisseurs Statiques : Causes et Remdes
7
rglementations adoptes dans ce domaine. Dans un second temps, nous tudierons les diffrentes
solutions traditionnelles et avances permettant lattnuation des effets les plus nfastes [2].
1.2 Qualit de lnergie lectrique La qualit de lnergie est une notion assez large qui recouvre la fois la qualit de la fourniture
lectrique, la qualit de londe de tension et la qualit des courants. Lorsque la tension est prsente, les
principaux phnomnes pouvant laffecter sont dune part les variations lentes : creux de tension,
surtensions, coupures, dsquilibres et dautre part des variations rapides : surtensions transitoires, flicker
ainsi que les harmoniques. La qualit des courants reflte par contre la possibilit des charges
fonctionner sans perturber ni rduire lefficacit du systme de puissance. Cest pourquoi certains
considrent que la qualit de llectricit se rduit la qualit de la tension [4].
La qualit de lalimentation lectrique ou qualit de londe fait rfrence la mesure du degr de
conformit dune source dalimentation lectrique par rapport un certain nombre de critres ou de
normes caractre quantitatif et absolu. Lnergie lectrique est dlivre sous forme dun systme
triphas de tensions sinusodales. Les paramtres caractristiques de ce systme sont les suivants :
la frquence, lamplitude, la forme donde qui doit tre sinusodale, la symtrie du systme triphas, caractrise par lgalit des modules des trois tensions et de
leurs dphasages relatifs.
Tout phnomne physique affectant une ou plusieurs de ces caractristiques peut tre considr comme
perturbation. En pratique, ces perturbations sont classes selon la dure du phnomne. Ainsi, il est
possible de distinguer :
- les altrations de londe de tension (harmoniques, dsquilibre, flicker). Ces phnomnes sont permanents ou durent au minimum plusieurs minutes,
- les creux de tension et coupures brves dune dure de lordre dune quelques secondes, - les surtensions transitoires, de dure infrieure une priode [5].
Dans ce qui suit nous nous restreindrons la prsentation des perturbations provoques par les
harmoniques ainsi que leurs consquences nfastes sur le rseau lectrique.
1.3 Problmatique des harmoniques
La problmatique des harmoniques dans le rseau lectrique, galement appele pollution
harmonique, nest pas un phnomne nouveau. Nanmoins, du fait que de plus en plus de charges non
linaires se connectent au rseau, la problmatique des harmoniques est devenue trs rpandue. Les
charges non linaires provoquent une distorsion des courants et donc des tensions, ce qui peut entraner
un mauvais fonctionnement des dispositifs raccords au rseau. Do, lintrt dliminer ou de
minimiser ces harmoniques [3].
-
Chapitre 1:
8
Un rcepteur dnergie est considr par le rseau lectrique comme une charge perturbatrice sil
absorbe des courants non sinusodaux ou des courants dsquilibrs ou sil consomme de la puissance
ractive. Les deux premiers types de perturbations peuvent dformer ou dsquilibrer les tensions du
rseau lorsque limpdance de celui-ci nest pas ngligeable. Le troisime rduit la capacit de
production ou de transmission de la puissance active des gnrateurs, des transformateurs et des lignes
lectriques [2].
Les harmoniques de courant, une fois injects par des charges non linaires, se propagent
travers le rseau lectrique en affectant la forme donde des tensions aux diffrents points du rseau.
Cette propagation nest limite que par les bifurcations (points de division des courants) et les
impdances du rseau qui dpendent gnralement de la frquence des courants harmoniques. La
prsence des harmoniques de courant se rvle essentiellement travers leurs effets sur la tension du
rseau [3].
1.3.1 Origine des harmoniques Les harmoniques sont des perturbations permanentes affectant la forme donde de la tension du
rseau. Ces perturbations rsultent de la superposition, sur londe fondamentale, dondes galement
sinusodales mais de frquences multiples de celle du fondamental [5]. En gnral, les harmoniques pairs
sont ngligeables et seuls les harmoniques impairs existent [4]. Nous pouvons galement observer des
sous-harmoniques ou des inter-harmoniques des frquences non multiples de la frquence
fondamentale. La figure 1.1 illustre un exemple de forme donde dune tension distordue contenant, en
plus du terme fondamental de frquence 50Hz, trois harmoniques de rang impair 5, 7 et 11.
Figure 1.1 Synthse dune tension distordue partir des harmoniques.
La cause principale de lexistence des harmoniques de tension, comme on le montrera
ultrieurement, est linjection dans le rseau des courants non sinusodaux par des charges non linaires.
Il sagit alors de sources gnratrices de courants harmoniques qui peuvent tre classes en deux types :
a- Sources harmoniques identifiables : Les quipements dots de dispositifs base dlectronique de puissance, notamment les redresseurs et les
cycloconvertisseurs de puissances importantes, installs sur les rseaux haute et moyenne tension sont
0.48 0.485 0.49 0.495 0.5-120
-90
-60
-30
0
30
60
90
120
v(t)
v1(t)
v5(t) v7(t) v11t)
Temps[s]
-
La Pollution Harmonique due aux Convertisseurs Statiques : Causes et Remdes
9
typiquement des sources harmoniques identifiables. Avec ce type de charge non linaire, le distributeur
dnergie est capable didentifier le point dinjection des harmoniques et de quantifier la perturbation
provoque. Dans ce cas, cest lutilisateur qui doit se procurer les moyens ncessaires afin de rduire
cette perturbation au dessous du seuil exig par le distributeur de lnergie sous peine dtre pnalis [5].
b- Sources harmoniques non identifiables : Ce type de gnrateur de courants harmoniques est principalement reprsent par les appareils utiliss
dans les domaines lectrodomestiques ou tertiaires tels que les tlviseurs et les micro-ordinateurs. Vue
leur trs large diffusion, ces quipements comportant souvent un redresseur monophas diodes avec un
condensateur de lissage, prlvent des courants harmoniques non ngligeables. Dans ce cas, il est de la
responsabilit du distributeur de lnergie lectrique dempcher la propagation de la perturbation
harmonique sur le rseau puisque individuellement chaque utilisateur gnre un faible taux
dharmonique [5]. A titre dexemple, la figure 1.2 ci-dessous montre lallure du courant absorb par un
ordinateur. Il est de forme impulsionnelle et riche en harmoniques et possde un taux de distorsion
inadmissible.
Figure 1.2 Forme donde du courant absorb par un ordinateur et spectre associ.
1.3.2 Caractrisation des harmoniques
La perturbation harmonique est gnralement caractrise par le taux de distorsion harmonique
(THD) dfini pour la tension ou le courant. Ce critre est le plus souvent employ pour quantifier le
contenu harmonique dun signal distordu. Il mesure galement le degr de dformation du signal apport
par les harmoniques par rapport une onde sinusodale. Il va de soit que la rpartition spectrale complte
gnralement linformation sur le THD en indiquant le rang des harmoniques dominants. Pour chiffrer la
consommation de puissance ractive le facteur de puissance (FP) est gnralement utilis [2].
Le courant absorb par une charge non linaire (convertisseur statique) nest pas sinusodal,
mais sa valeur moyenne sur chaque phase est souvent nulle. Dans ce cas, la dcomposition en srie de
Fourier du courant donne :
-
Chapitre 1:
10
1 12
( ) 2 sin( ) 2 sin( )h hh
i t I t I h t =
= + + + (1) Avec : I1, Ih : valeur efficace du courant fondamental et du courant harmonique de rang h,
1, h: dphasage du courant fondamental et du courant harmonique de rang h,
: pulsation fondamentale du rseau.
Le taux de distorsion harmonique de ce courant sexprime sous la forme suivante :
2
22 1
hi
h
ITHDI
== (2)
Pour tudier la dformation de la tension du rseau provoque par le prlvent de courants distordus,
nous reprsentons la source dnergie par une f.e.m (es) la frquence fondamentale mise en srie avec
une impdance variable avec la frquence comme le montre la figure 1.3.
(a) : pour la frquence fondamentale (b) : pour lharmonique de rang h
Figure 1.3 Schmas quivalents pour caractriser la dformation de la tension au point de raccordement.
Sur ces schmas, les impdances reprsentent :
Zcc1 : impdance de court-circuit de la source la frquence fondamentale,
Zcch : impdance de court-circuit de la source la frquence du rang h.
La tension au point de raccordement, v(t), est compose de la somme ci-dessous :
12
( ) ( ) ( )n
hh
v t v t v t=
= + (3) Avec :
1 1 1 1 1
1
( ) ( ) . 2 sin( )
( ) . 2 sin( )cc cc
h cch h cch
v t e t Z I t
v t Z I h t
= + += + + (4)
O :
1 ,cc cchZ Z reprsente le module de Zcc1 et Zcch respectivement.
1,cc cch reprsente largument de Zcc1 et Zcch respectivement.
De lquation (3), on constate que la tension du rseau nest plus sinusodale et est dforme par les
courants harmoniques par lintermdiaire de limpdance de court-circuit. Pour la rendre sinusodale
deux solutions sont possibles : modification de limpdance du rseau ou annuler les harmoniques de
courant [2].
es v1 Zcc1
vh Zcch ih
i1
-
La Pollution Harmonique due aux Convertisseurs Statiques : Causes et Remdes
11
Le taux de distorsion harmonique en tension est un paramtre qui sert valuer la dformation de la
tension et sexprime sous la forme suivante :
2
22 1
hv
h
vTHDv
== (5)
Il est possible aussi de caractriser les harmoniques par leur participation dans la puissance apparente.
Nous utilisons alors la notion de puissance dformante "D". Dans le cas dun rseau quilibr m phases,
la puissance apparente S, la puissance active P et la puissance ractive q sont donnes par les relations
suivantes :
2 21 1
. . .n n
h h eff effh h
S m V I mV I= =
= = (6)
1cos( )
n
h h hh
P m V I =
= (7)
1sin( )
n
h h hh
q m V I =
= (8) A son tour la puissance dformante caractrisant la contribution des harmoniques est dfinie par la
formule suivante :
212
n
hh
D mV I=
= (9) Finalement, le facteur de puissance sexprime comme suit :
12 2
1 1
cos( )
.
n
h h hh
n n
h hh h
V IPFPS
V I
=
= =
= =
(10)
On constate que le facteur de puissance est dgrad par la prsence des harmoniques.
Dans le cas dun systme triphas alimentant une charge non linaire quilibre (cas du
redresseur diodes), les fondamentaux des courants absorbs composent un systme direct (cest--dire
de mme squence que les tensions du rseau), les harmoniques multiples de 3 composent un systme
homopolaire (ils sont en phase), lharmonique 5 un systme inverse (la squence des phases est inverse
par rapport celle du rseau), lharmonique 7 un systme direct,.etc.
1.3.3 Consquences nfastes des harmoniques
Les courants et les tensions harmoniques ont des effets nfastes sur le fonctionnement, la
rentabilit et la dure de vie des quipements lectriques. Bien que les susceptibilits des diffrents
quipements et appareils lectriques, raccords un rseau pollu, soient trs diversifies, on distingue
deux sortes deffets possibles :
-
Chapitre 1:
12
les effets quasi-instantans : concernent certains types dappareillage, tels que llectronique de puissance, calculateurs, relais, systmes de contrle et rgulation,etc. La prsence des
harmoniques sur le rseau provoque le dplacement du passage par zro et des modifications de
la valeur crte de londe ;
les effets terme : se rapportent essentiellement aux machines tournantes, aux transformateurs et aux condensateurs, ce qui se manifeste par des chauffements supplmentaires et laugmentation
du niveau sonore. Il en dcoule la destruction de matriel ou plus frquemment une diminution
de leur dure de vie par surcharge thermique.
La liste suivante donne une ide de limpact des harmoniques sur certains quipements usage frquent
qui font partie intgrante du rseau lectrique, tels que les :
alternateurs : pertes supplmentaires dans les enroulements statoriques et dans les amortisseurs lies laugmentation de la valeur efficace du courant absorb. Ces pertes provoquent un
chauffement supplmentaire et rduisent galement le rendement de ces machines ;
cbles lectriques : pertes Joule supplmentaires, surtout dans les cbles de retour du neutre o circulent les courants harmoniques homopolaires et corrosion des cbles en aluminium sous
leffet de la circulation de courants harmoniques pairs associs une composante continue [2].
La prsence des harmoniques dans le rseau diminue aussi la capacit de transport en puissance
active des lignes ;
transformateurs : ils sont les constituants les plus directement affects par les courants harmoniques. Ces derniers produisent des pertes additionnelles dans les enroulements. Ces pertes
ne sont pas seulement dues leffet Joule pelliculaire, mais aussi des courants induits dans les
bobinages, le noyau et les pices mtalliques par les composantes hautes frquences des
champs de fuite [6] ;
moteurs courant alternatif : la dformation de la forme donde de la tension du rseau, due linteraction entre les courants harmoniques et limpdance quivalente du rseau, influe sur le
fonctionnement des machines lectriques courant alternatif en gnral et sur celui des moteurs
asynchrones en particulier (pertes supplmentaires dans le fer et les enroulements et pulsation du
couple) [5] ;
condensateurs : ils sont aussi trs affects par les courants harmoniques. Les condensateurs branchs en parallle sur les rseaux pour la compensation de la puissance ractive (correction
du facteur de puissance) ont des impdances dautant plus faibles que la frquence est leve.
Les courants harmoniques se superposent au courant fondamental et causent des pertes
supplmentaires qui peuvent excder la capacit thermique des condensateurs et rduire
considrablement leur dure de vie. De plus, des phnomnes de rsonance peuvent subvenir et
soumettre les condensateurs des surtensions, lesquelles sont susceptibles de les dgrader, voir
de perforer leur isolation [4] ;
-
La Pollution Harmonique due aux Convertisseurs Statiques : Causes et Remdes
13
quipements base dlectronique de puissance : dysfonctionnement li la dformation de la tension qui peut crer des faux passages par zro (perte de synchronisation) ;
ordinateurs : troubles fonctionnels lis la distorsion de la tension du rseau ; rseaux de tlcommunication : gnration de bruits importants lis au couplage
lectromagntique entre les lignes de puissance et les circuits de communication. Dans des cas
particuliers, surtout lors de rsonances, une partie des rseaux de tlcommunication peut tre
rendue inutilisable [2].
1.4 Perturbations produites par les redresseurs commutation naturelle Avant lapparition des convertisseurs statiques de llectronique de puissance, les courants de
magntisation des transformateurs, des machines lectriques et des ballasts constituaient lessentiel des
charges non linaires prsentes sur le rseau lectrique. Mais aujourdhui, avec le dveloppement de
llectronique de puissance, les convertisseurs statiques deviennent les sources dharmoniques les plus
rpandues sur le rseau [4]. Les redresseurs non contrls diodes et contrls thyristors, fonctionnant
en commutation naturelle, reprsentent la charge non linaire la plus usite. Ces convertisseurs sont
prsents dans de nombreux quipements industriels et domestiques ainsi que dans les dispositifs de
conversion de lnergie lectrique. Nous citons ci-dessous les applications les plus courantes :
- variateurs de vitesse pour moteurs alternatifs et courant continu ; - circuit dexcitation des alternateurs ; - chargeurs de batterie ; - liaison courant continu (HVDC) ; - alimentation des systmes informatiques et audio visuels ; - dispositifs dclairage de nouvelle gnration.
Nous distinguons deux structures de redresseurs :
1. ponts de diodes : constitue ltage de conversion dnergie AC/DC (alimentation du bus continu des onduleurs pour les variateurs de vitesse des machines courant alternatif par exemple) ;
2. ponts de thyristors : mme rle que le pont diodes avec la possibilit de contrler le niveau de tension continue en sortie et lajout de la rversibilit du flux dnergie.
La figure 1.4 reprsente le montage du pont redresseur triphas diodes. Celui du pont thyristors est
obtenu par substitution des diodes par des thyristors. Une inductance de couplage est souvent place
lentre du redresseur pour limiter les courants de courts-circuits entre phases pendant les commutations
des semi-conducteurs dus aux phnomnes dempitement.
Avec : ea, eb, ec : tensions du rseau, ia, ib, ic : courants absorbs par le pont ;
vdc, Idc : tension et courant du bus continu ;
Ls, rs: inductance et rsistance de la ligne ;
C : capacit de sortie permettant de filtrer la tension continue de sortie.
-
Chapitre 1:
14
Figure 1.4 Pont redresseur triphas diodes.
La figure 1.5.a illustre les formes dondes des courants non sinusodaux absorbs par le pont redresseur
triphas diodes, obtenues par simulation, avec insertion dune inductance de couplage (L=19.5 mH). La
figure 1.5.b reprsente le spectre associ o apparait la prdominance des harmoniques de rang 5, 7, 11 et
13 et limportance de la distorsion harmonique en courant (THDi= 20.26%).
Figure 1.5 Courants absorbs par le pont redresseur diodes et spectre associ.
Les rsultats exprimentaux sont illustrs sur les figures ci-aprs. Les courants de la figure 1.6
correspondent au fonctionnement sans inductance de couplage. La figure 1.7 reprsente les courants
obtenus lors de linsertion dune inductance de couplage (L=19.5 mH), ainsi que le spectre et le
diagramme vectoriel des fondamentaux des courants absorbs et des tensions du rseau. On constate que
les courants possdent un taux de distorsion lev (THDi=18.8%) et que leurs termes fondamentaux sont
0.46 0.465 0.47 0.475 0.48 0.485 0.49 0.495 0.5-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
ia ib ic
t[s]
(a)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
20
40
60
80
100
Harmonic order
Fundamental (50Hz) = 1.713 , THD= 20.26%
Mag
(% o
f Fun
dam
enta
l) h=1
h=5 h=7 h=11
(b)
C
Cha
rge
~~~
ia
ib
ic
Ls rs ea
eb
ec
Idc
vdc
-
La Pollution Harmonique due aux Convertisseurs Statiques : Causes et Remdes
15
dphass par rapport aux tensions dun angle de 23, ce qui signifie que le pont redresseur consomme de
la puissance ractive la frquence fondamentale.
Figure 1.6 Courants absorbs par le pont redresseur diodes connect directement au rseau.
Figure 1.7 Forme dondes des courants absorbs, spectre frquentiel et diagramme vectoriel pour le pont redresseur
diodes avec inductance de couplage.
1.5 Normes et rglementations
Afin de limiter linfluence dune charge polluante sur les autres charges connectes au rseau et
en mme temps viter la modification des caractristiques de ce dernier, les distributeurs dnergie
ea
ic
ia
ib
ea
ia
ib
ic
-
Chapitre 1:
16
lectrique ont t amens mettre des recommandations. Ces recommandations concernent les
exigences au point de raccordement de lusager sur le rseau lectrique. Un exemple de ces
recommandations (les plus anciennes) stipule que chaque utilisateur pris sparment, doit, son point de
raccordement, respecter les limites de perturbations en tension suivantes [2] :
- harmoniques pairs : Vh/V1
-
La Pollution Harmonique due aux Convertisseurs Statiques : Causes et Remdes
17
Tableau 1.2 : Classification des normes concernant la qualit dnergie lectrique
Thmes Normes
Classification de la qualit dnergie CEI 61000-2-5 :1995 CEI 61000-2-1 :1990 IEEE 1159 :1995
Creux /Surtension/Interruption CEI 61009-2-1 :1990 IEEE 1159 :1995
Harmoniques CEI 61000-2-1 :1990 CEI 61000-2-2 CEI 61000-3-2 CEI 61000-4-7 :1991 IEEE 519 :1992
Flicker de tension CEI 61000-4-15 :1997 Transitoires CEI 61000-2-1 :1990
CEI 816 :1984 IEEE 1159 :1995 IEEE C62.41 :1991
Le tableau 1.3, repris de la norme CEI 61000-2-2, prsente les caractristiques et le niveau de
compatibilit pour les harmoniques au point de raccordement du client pour un rseau satisfaisant la
norme CEI 1000-2-4 [8].
Tableau 1.3 : Niveau de compatibilit pour les tensions harmoniques sur les rseaux basse tension
(Norme CEI 61000-2-2)
Rangs impairs non multiples de 3
Rangs impairs multiples de 3
Rangs pairs
Rang Tension harm. (%) Rang Tension harm.
(%) Rang Tension harm.
(%) 5 7
11 13 17 19 23 25
>25
6 5
3.5 3 2
1.5 1.5 1.5
0.2+1.3*25/h
3 9
15 21
>21
5 1.5 0.3 0.2 0.2
2 4 6 8
10 12
>12
2 1
0.5 0.5 0.5 0.2 0.2
1.6 Solutions possibles pour rduire les harmoniques et damliorer la qualit de lnergie
Afin de diminuer les perturbations en tension ou en courant, il est possible dagir deux niveaux :
1. du cot de la source en filtrant la tension du rseau ou en amliorant le rseau de transport et celui de distribution ;
2. du cot du client en rendant le courant de ligne le plus sinusodal possible.
-
Chapitre 1:
18
Plusieurs solutions ont t envisages pour limiter la propagation des harmoniques et amliorer la
qualit et la gestion de lnergie lectrique. Elles peuvent tre classes en deux catgories, traditionnelles
et modernes ( base de llectronique de puissance).
1.6.1 Solutions traditionnelles de dpollution
Les moyens de dpollution traditionnels sont nombreux et se rsument dans points suivants :
- inductance anti-harmonique de protection des condensateurs ; - inductance de lissage des courants ; - confinement des harmoniques ; - lutilisation de transformateurs couplage appropri permettant de limiter la circulation des
courants harmoniques [12, 13] ;
- augmentation de lindice de modulation ; - filtres passifs utilisant des lments ractifs en loccurrence des inductances et des condensateurs
[14].
Vue leur importance pratique, nous nous limiterons dans ce qui suit dtailler uniquement les filtres
passifs.
Filtrage passif Il sagit des premiers dispositifs utiliss pour llimination dharmoniques. Ils sont composs par
des lments passifs comme des inductances, des capacits et des rsistances. En gnral, les filtres
dharmoniques sont connects en parallle avec les charges injectant des courants harmoniques (les
redresseurs diodes ou thyristors, fours arcs lectrique, etc.). Lassociation dlments capacitifs et
inductifs en parallle avec la charge polluante permet dobtenir une rsonance srie accorde sur les
rangs harmoniques liminer. Diffrents types possibles de filtres passifs destins compenser les
courants harmoniques sont reprsents sur la figure 1.8 [9].
Figure 1.8 Diffrents types de filtres harmoniques passifs.
(a) Bandpass
or Notch
(b) Highpass
or First order
(c) C-type
(d) Pi-type
Or Bridge-type
-
La Pollution Harmonique due aux Convertisseurs Statiques : Causes et Remdes
19
Le filtre harmonique passe-bande illustr sur la figure 1.8 (a) est le plus simple et est largement
appliqu. Son avantage est limpdance presque nulle la frquence daccord, conduisant un filtre
presque parfait cette frquence. Un inconvnient est la possibilit doccasionner une rsonance avec
limpdance du rseau pour les frquences en dessous de sa frquence de coupure et en dautres termes
damplifier dautres composantes harmoniques [4].
La figure 1.8 (b) montre le filtre harmonique passe-haut qui peut tre un compromis entre filtrer
une frquence bien cible et attnuer les harmoniques des frquences suprieures. Ce filtre est
gnralement ajust aux 7me ou 11me rangs harmoniques.
Le filtre harmonique de type C, illustr sur la figure 1.8 (c), a des caractristiques similaires au
filtre harmonique passe-haut, avec lavantage que la rsistance ne consomme pas de puissance la
frquence fondamentale du rseau. Il est souvent employ dans les applications de four arc o il existe
des interharmoniques [9, 10].
La figure 1.8 (d) illustre le filtre harmonique de type Pi qui est essentiellement compos de deux
filtres passe-bande avec une rsistance connecte au point mdian. Lintrt principal de ce filtre est sa
bonne caractristique de filtrage aux deux frquences de rsonance.
Le choix le plus commun pour le redresseur thyristors de haute puissance consiste utiliser une
combinaison de plusieurs filtres rgls sur une seule frquence (sur les harmoniques 5, 7, 11 et 13) et un
filtre passe-haut du deuxime ordre rgl autour de la frquence de lharmonique 17 comme illustr sur
la figure 1.9 [10, 15].
Figure 1.9 Combinaison de filtres passifs pour redresseur thyristors.
La fonction de transfert de cette combinaison de filtres est donne ci-aprs :
2
5 7 13 17 1711
2 2 2 2 2
5 5 7 7 11 11 13 13 17 17 17
1 1 1 1 11
( ) 1 1 1 1 1 1
s s s s ssL L L R LLG s
s s s s s sC L C L C L C L R C L
+= + + + +
+ + + + + +
Malgr lefficacit, le pouvoir de corriger le facteur de puissance, la simplicit et le cot, cette
configuration de filtres passifs pose tout de mme certains problmes :
C5
C7 C11 C13 C17
L5 L17 L7 L11 L13 R17
~ Rch Cch Rseau
Charge non linaire
is ich ifp Lch
h=5 h=7 Passe-haut h=11 h=13
-
Chapitre 1:
20
- le dimensionnement dpend du spectre harmonique de la charge et de limpdance de la source, cette dernire est dailleurs susceptible dengendrer des rsonances ;
- le filtre passif peut absorber les courants harmoniques dautres charges non linaires prsentent sur le mme rseau et entrainer dans cette hypothse une surcharge ;
- toute modification du rseau (restructurations, nouveaux clients, ), par changement de la frquence daccord, peut rendre le filtre passif inadapt et perturbateur (phnomne de
rsonance) ;
- les filtres passifs sont encombrants et prsentent des risques de drive de la frquence au fur et mesure que les composants vieillissent.
Cette solution est donc dune efficacit moyenne, elle offre trs peu de flexibilit et quasiment
aucune volutivit [11]. Pour toutes ces limitations une attention particulire a t porte aux solutions
bases sur llectronique de puissance.
1.6.2 Solutions modernes base dlectronique de puissance
Les progrs remarquables raliss dune part dans le domaine des composants semi-conducteurs,
comme les IGBT, IGCT, GTO et MOSFET, ainsi que la matrise de leur mise en uvre et dautre part
lexistence de nouvelles mthodes de traitement analogique et numrique du signal, ont permis
lmergence de moyens modernes et efficaces pour faire face aux diffrentes perturbations (harmoniques,
puissance ractive, fluctuations, creux de tension) affectant les systmes lectriques [4]. Parmi ces
moyens modernes, nous pouvons citer :
les filtres actifs: parallles, sries, hybrides et combinaisons des structures ; les alimentations sans interruption ; les dispositifs FACTS ; les convertisseurs prlvement sinusodal.
1.6.2.1 Filtres actifs Les principes de base des filtres actifs (compensation active) pour les harmoniques perturbateurs
ont t proposs autour de la dcennie de 1970 [16-19]. Depuis, beaucoup de recherches ont t
dveloppes sur ces systmes et leurs applications pratiques [10], [20], [23], [77], [143,144].
Un filtre actif de puissance se compose dun onduleur command par modulation de largeur
dimpulsion (MLI/PWM), connect au rseau par lintermdiaire dun filtre passif, et dun bus continu.
Ce convertisseur PWM constituant le filtre actif peut avoir deux structures diffrentes en fonction de
llment de stockage du bus continu. Le convertisseur de type tension (onduleur de tension) ou VSC
(Voltage Source Converter) utilise un condensateur pour stocker lnergie au niveau du bus DC et
imposer ainsi la nature source de tension lentre de londuleur. Le condensateur peut tre remplac par
une inductance, qui joue alors le rle dune source de courant continu. Dans ce cas, ce type de
convertisseur prend la dnomination donduleur de courant [5], [12], [21-22].
-
La Pollution Harmonique due aux Convertisseurs Statiques : Causes et Remdes
21
La structure utilisant londuleur de tension est prfre pour les facilits quelle apporte en
termes de circuits de commande et de fiabilit. En plus, cette structure reste relativement moins coteuse,
les pertes sont infrieures et elle peut tre utilise aisment dans des structures multiniveaux ou
multicellulaires [23], [146-153]. Cette topologie est assimilable une source de courant au point de
raccordement ; lorsquelle est connecte en parallle elle limine directement les perturbations en
courants harmoniques en injectant sur le rseau des courants en opposition de phase et de mme
amplitude par rapport aux perturbations existantes. En plus, ce type de filtre actif est en mesure de
compenser non seulement la pollution harmonique en courant mais aussi la puissance ractive et les
dsquilibres en tension et en courant.
Le filtre actif offre de nombreux avantages par rapport aux filtres passifs [3, 4] :
il sadapte automatiquement lvolution des charges et du rseau ; il peut raliser une compensation globale ou slective des composantes harmoniques dans la
limite de sa bande passante ;
il ny a aucun risque de surcharge lorsque le niveau de pollution harmonique compenser dpasse le dimensionnement du filtre actif. Le filtre fonctionne au maximum de ses capacits et
tout risque de destruction est cart ;
le risque de rsonance entre filtre actif et impdance du rseau est attnu (contrairement au filtrage passif) ;
la compensation simultane de la pollution harmonique et de la puissance ractive ou des dsquilibres sont envisageables ;
le volume physique du filtre est plus rduit.
Pourtant, ils possdent aussi quelques inconvnients :
leur cot lev a limit leur implantation dans lindustrie ; labsence de rglementation spcifique nincite pas leur intgration ; les pertes sont lgrement plus leves.
En fonction de leur mode de connexion au rseau, les filtres actifs sont dissocis en deux familles : les
filtres actifs parallle et srie.
1. Filtre actif parallle-FAP
Le filtre actif parallle, appel aussi compensateur shunt, prsent sur la figure 1.10 permet, avec une
commande approprie, de neutraliser les courants harmoniques des charges polluantes et de compenser
les dsquilibres et les courants ractifs.
Gnralement, une analyse pralable de la charge permet didentifier les perturbations et de les
compenser au niveau du rseau via le filtre actif parallle. Le courant rsultant ct rseau est de forme
sinusodale, voire en phase avec la tension au point de raccordement dans le cas dune compensation
dharmoniques et du fondamental ractif [7], [145].
-
Chapitre 1:
22
Figure 1.10 Topologie du filtre actif parallle de puissance.
2. Filtre actif srie-FAS
Le filtre actif srie se comporte comme une source de tension qui soppose aux tensions
perturbatrices (creux, dsquilibre, harmoniques) venant de la source et galement celles provoques
par la circulation des courants perturbateurs travers limpdance de rseau. Il empche les courants
harmoniques consomms par la charge non linaire de remonter vers la source [28, 29]. Dans ce cas, il se
comporte comme une impdance leve aux frquences harmoniques et comme une impdance nulle la
frquence fondamentale. Ainsi, la tension aux bornes de la charge protger est purement sinusodale
[24,25]. Les perturbations de tension dans le systme sont attnues en injectant la diffrence entre la
tension dsire et la tension relle comme le montre la figure 1.11. Llment de stockage de lnergie
dun filtre actif srie est conu pour rpondre aux exigences de compensation les plus svres,
notamment dans le cas de creux de tension de longue dure [26, 27].
Figure 1.11 Topologie du filtre actif srie de puissance.
1.6.2.2 Filtres actifs hybrides
Les filtres actifs hybrides se scindent en deux grandes familles qui rsultent de combinaisons soit
de filtres actifs soit dassociations de filtres actifs et passifs. Dans le premier cas, cest lassociation des
filtres actifs types, savoir parallle et srie. Ainsi, lobjectif vis est la non pollution dun rseau par
une charge perturbatrice et simultanment le bon fonctionnement dune charge ou dun rseau sensible
~ Rch Cch Rseau
Charge non linaire
is Lch
Cdc
Filtre actif srie
Lf
vf
Cf
~ Rch Cch Rseau
Charge non linaire
is Lch
Cdc
Filtre actif parallle
if
Lf
0 0
0
ich
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La Pollution Harmonique due aux Convertisseurs Statiques : Causes et Remdes
23
dans un environnement pollu. Le traitement seffectue donc deux niveaux par rapport un point
considr ; dpollution par un filtre actif parallle en aval et par un filtre actif srie en amont. La
deuxime famille combine la mise en uvre simultane de filtres passifs accords et actifs. Les filtres
passifs liminent gnralement les harmoniques en basses frquences et peuvent fournir aussi de
lnergie ractive, cette solution entraine une rduction du dimensionnement du filtre actif qui nest
affect quau traitement des autres perturbations. De plus, ces topologies amliorent lefficacit des
filtres passifs. Les combinaisons de ces structures hybrides sont nombreuses, nous pouvons citer les
associations les plus usites :
1- mise en parallle dun filtre actif shunt et dun (de) filtre(s) passif(s) connect(s) en drivation avec la (les) charge(s) polluante(s) ;
2- filtre actif srie avec un (des) filtre(s) passif(s) en parallle(s) ;
3- filtres passifs rsonnants en srie avec un filtre actif (Fig. 1.11) qui constitue les configurations les plus rcentes [35].
Pour le cas numro 1, le plus souvent le filtre passif est form par deux filtres rgls aux frquences des
harmoniques 5 et 7 et un filtre passe-haut accord autour de la frquence de lharmonique 11. Le filtre
actif permet dans ce cas dviter des rsonances entre les lments passifs et le rseau [10]. Depuis 1990
[34], de nombreux travaux de recherches ont t conduits sur les filtres actifs hybrides [36-41]. La raison
essentielle rside dans lattractivit de ces associations par la rduction du cot du filtre actif mais aussi
par la faisabilit pour des applications de fortes puissances [10, 20].
Figure 1.12 Topologie du filtre actif hybride.
1.6.2.3 Les alimentations sans interruption (UPS)
Les alimentations sans interruption ont t dveloppes au dbut des annes 60 pour protger les
grands centres informatiques. Depuis, elles se sont gnralises et sont devenues des dispositifs usage
quasi systmatiques. Une alimentation sans interruption ou de secours est destine faire face aux
perturbations affectant la tension du rseau (creux, variations de frquence, coupures). Son principe est
de produire un systme de tensions alternatives purement sinusodales assurant la continuit de
lalimentation des charges critiques, dont la performance est en outre garantie par une batterie intgre
[7].
~ Rch Cch Rseau
Charge non linaire
is
Lch
Cdc
Filtre actif
if C7
L7 Filtre passif
-
Chapitre 1:
24
Figure 1.13 Topologie dune alimentation sans interruption avec ses trois modes dopration.
Une alimentation sans interruption est constitue principalement par deux convertisseurs :
1. un onduleur de tension destin produire un systme de tensions alternatives de forme sinusodale pour suppler le rseau si ncessaire.
2. un redresseur diodes connect au rseau alternatif pour alimenter le bus continu de londuleur et pour charger une batterie daccumulateurs.
De nombreuses topologies et stratgies de commande ont t proposes dans la littrature concernant les
alimentations sans interruption [37-44]. La figure 1.13 reprsente lune de ces topologies ainsi que les
diffrents modes doprations possibles. 1.6.2.4 Les FACTS
Les systmes de transmission en courant alternatif flexibles, terme traduit de langlais "Flexible
Alternating Current Transmission Systems (FACTS)", peuvent contribuer faire face aux problmes
rencontrs dans lexploitation des rseaux lectriques. Le concept FACTS, introduit en 1986 par
lElectric Power Research Institute (EPRI), regroupe lensemble des dispositifs bass sur llectronique
de puissance qui permettent damliorer lexploitation dun rseau lectrique [45]. Son dveloppement
est troitement li aux progrs raliss dans le domaine des composants semi-conducteurs de puissance
et plus particulirement des lments commandables tels que le thyristor et le thyristor GTO. Des tudes
et des ralisations pratiques ont mis en vidence lnorme potentiel des dispositifs FACTS [46-47].
Entre ac
Entre ac (Dviation)
Interrupteur manuel (maintenance)
Interrupteur statique
Redresseur/Chargeur
Batterie
Charge
Onduleur
Mode normal
Mode nergie stocke Mode by-pass
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La Pollution Harmonique due aux Convertisseurs Statiques : Causes et Remdes
25
Plusieurs types de FACTS, avec des architectures et des technologies diffrentes, ont t dvelopps.
Parmi eux, les plus connus sont le SVC (Static Var Compensator), le STATCOM (Static Synchronous
Compensator), le TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor) et lUPFC (Unified Power Flow
Controller). Les figures 1.14 et 1.15 dcrivent les schmas de principe de ces structures. Chacune delle
possde ses propres caractristiques et peut tre utilise pour rpondre des besoins bien prcis.
Dans un rseau lectrique, les FACTS permettent de remplir des fonctions tant en rgimes
stationnaires quen rgimes transitoires. Ils agissent gnralement en absorbant ou en fournissant de la
puissance ractive, en contrlant limpdance des lignes ou en modifiant les angles des tensions [48]. Les
dispositifs FACTS sont utiliss principalement dans les contextes suivants:
limitation des variations de la tension une valeur assigne en un point du rseau et ce quelles que soient les variations de la charge ;
augmentation de la rserve de stabilit transitoire ; attnuation des oscillations de puissance ; contrle des transits de puissance sur les lignes et liaisons afin de rduire les surcharges.
Le mode de connexion au rseau est une caractristique essentielle qui dtermine en grande partie le
mode daction dun dispositif FACTS. On distingue ainsi les classes suivantes [49] :
1. les dispositifs FACTS shunt (parallle) ; 2. les dispositifs FACTS srie ; 3. les dispositifs FACTS combins srie-parallle.
Figure 1.14 Structure de dispositifs FACTS shunt : (a) SVC, (b) STATCOM.
C
i v
Filtre TCR TSC
i
v
(b) (a)
-
Chapitre 1:
26
Figure 1.15 Structure de dispositifs FACTS srie et combin : (a) UPFC, (b) TCSC.
1.6.2.5 Prlvement sinusodal
Laccroissement 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 [50].
Le prlvement dun courant sinusodal engendre une nouvelle structure de conversion AC/DC,
diffrente de la version classique, o le courant peut tre contrl. Dans ce contexte, trois structures ont
t dveloppes et prsentes dans la littrature, dont deux structures incluent une inductance pour
pouvoir contrler le courant absorb :
la premire utilise un hacheur lvateur de type BOOST en cascade avec un redresseur monophas diodes, reconnue par lacronyme PFC (Power Factor Correction) ;
la deuxime structure fait appel un onduleur MLI fonctionnant en redresseur, dsign sous le nom redresseur modulation de largeur dimpulsion (MLI) ;
la troisime structure est base sur linjection de courant dans le rseau. Elle est constitue dun redresseur triphas diodes et de deux circuits auxiliaires, de modulation et de distribution.
1.6.2.5.1 Correction du facteur de puissance (PFC) La structure de base du convertisseur AC/DC avec correction du facteur de puissance ainsi que
son principe de commande sont illustrs sur la figure 1.16. Il sagit dun redresseur en pont diodes
Convertisseur srie Convertisseur shunt
iTCSC(c)
(d)
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La Pollution Harmonique due aux Convertisseurs Statiques : Causes et Remdes
27
connect au rseau et dot dun tage de correction plac entre la sortie du pont et la charge. Cet tage de
correction du facteur de puissance bas sur une structure dhacheur lvateur comprend une inductance,
un interrupteur de puissance double commande (TB, IGBT, MOSFET) et une diode de puissance. Cet
ensemble est mis en parallle avec le condensateur du bus continu. Le convertisseur AC/DC ainsi obtenu
constitue une structure lvatrice et non rversible, mettant en jeu un seul interrupteur commandable.
Figure 1.16 Structure et principe de commande dun convertisseur AC/DC avec PFC.
Diverses stratgies de commande ayant toutes un objectif commun : la mise en forme des
courants prlevs sur le rseau, ont t proposes pour cette structure [51-58]. Le principe de
prlvement sinusodal consiste forcer le courant circulant dans linductance suivre une rfrence
sinusodale redresse, en contrlant la fermeture et louverture de linterrupteur command de puissance.
Lamplitude de cette rfrence est fournie par la boucle dasservissement de la tension du bus continu,
tandis que la forme sinusodale est obtenue par lintermdiaire dune PLL synchronise avec le rseau
dalimentation. Cette solution garantit lobtention dun facteur de puissance unitaire pour le terme
fondamental au niveau du rseau.
Il convient aussi de noter que cette structure est ralise partir dun pont redresseur monophas.
Dans le cas dun rseau triphas, un seul interrupteur doit contrler les trois courants absorbs. Ceci rend
la commande trs complexe et beaucoup moins performante. Pour cette configuration, on privilgie
plutt lutilisation du redresseur injection de courant ou redresseur MLI.
1.6.2.5.2 Redresseurs injection de courant
Les redresseurs triphass injection de courant sont apparus au dbut des annes 1990, suite
des tentatives damliorer les performances des convertisseurs AC/DC dj prsents. Le schma
synoptique de cette structure est reprsent sur la figure 1.17. Un circuit de modulation cre, par le
procd de mise en forme des courants la sortie du pont diodes, un courant qui est inject au rseau
~ Rseau
Redresseur
Rch C
D L
vdc
Rgulateur
Contrleur de courant/PWM
gnrateur PLL
vdc*
vdc
+ +
-
-
iL
Bloc de commande
-
Chapitre 1:
28
dalimentation laide dun circuit de distribution. Linjection dun tel courant permet de compenser les
paliers zro des courants de ligne, inhrents au fonctionnement normal du pont diodes. Plusieurs
variantes de ce type de convertisseur existent actuellement ; elles ce distinguent par la nature des circuits
de modulation et de distribution qui peuvent tre soit passifs, soit actifs [59-65].
Figure 1.17 Schma synoptique dun redresseur triphas injection de courant.
1.6.2.5.3 Redresseurs MLI
Les redresseurs MLI sont des onduleurs exploitant leurs rversibilits en courant dans le
deuxime mode de fonctionnement. Grce la commande MLI, ces convertisseurs peuvent prlever des
courants sinusodaux sur le rseau alternatif et assurer aussi un facteur de puissance unitaire. Selon le
type donduleur utilis, nous distinguons deux structures de redresseurs MLI :
redresseur MLI de courant ; redresseur MLI de tension.
1. Redresseur MLI de courant
La topologie du redresseur MLI de c