Soutenance mémoire
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Charges industrielles génératrices d’harmoniques
L’avènement des équipements électriques utilisant des convertisseurs statiques a entraîné ces dernières années une augmentation sensible du niveau de pollution harmonique des réseaux électriques. Ces équipements qui permettent la conversion de la puissance électrique d’une forme quelconque à une autre forme, apportent un progrès considérable au niveau des procédés industriels. Comme mentionné précédemment, ces convertisseurs sont vus comme étant des charges non linéaires qui injectent des courants harmoniques sur le réseau électrique. Nous présentons dans cette section quelques-unes des charges les plus importantes.
Redresseur triphasé à diodes et filtre capacitif
Utilisé comme premier étage pour la commande en vitesse variable des machines asynchrones. La commande de la machine asynchrone en vitesse variable est utilisée dans des applications comme l’entraînement des compresseurs, des ventilateurs, des pompes, des convoyeurs, etc.
Convertisseur de courant
Les convertisseurs de courant constituent l’un des montages les plus répandus dans le secteur industriel. Ce type de montage est constitué de thyristors qui sont commandés en ouverture. Ceci ce fait en jouant sur l’angle d’allumage a de commande des gâchettes des thyristors. Ils sont utilisés dans de nombreuses applications telles :
Commande des machines à courant continu à vitesse variable
Les machines à courant continu sont utilisées dans de multiples activités nécessitant de la vitesse variable aussi bien dans les applications de faible puissance que celle de grande puissance telles les machines outils, les procédés de commande dans l’industrie du papier et du textile ainsi que les laminoirs.
Commande des machines synchrones à vitesse variable
On rencontre des convertisseurs de courant suivis d’un onduleur pour commander la machine synchrone en vitesse variable.
Les électrolyseurs
L’électrolyse est surtout employée dans la production des métaux non ferreux et dans l’industrie de la chimie.
Les fours à induction régulés
Ces derniers sont utilisés majoritairement dans les secteurs industriels des métaux, de la chimie et de la galvanoplastie.
Appareils à arc électrique
Les appareils à arc électrique regroupent les fours à arc qui utilisés en sidérurgie peuvent être à courant alternatif ou à courant continu.
L’arc est non linéaire, dissymétrique et instable. Il va induire des spectres possédant des raies paires, impaires et une composante continue à des fréquences quelconques entraînant l’apparition d’un spectre continu.
Échaufferaient dans les conducteurs et les équipements électriques
Les courants harmoniques circulant dans les conducteurs provoquent réchauffement de ceux-ci par effet Joule. Cependant, les harmoniques ne contribuent pas au transfert de puissance active, ils créent uniquement des pertes électriques et participent à la dégradation du facteur de puissance. La circulation des courants harmoniques dans les transformateurs et dans les enroulements du moteur asynchrone crée également des échauffements supplémentaires. En plus des pertes Joule, le transformateur subit des échauffements supplémentaires en présence d’harmoniques qui sont causés par les pertes fer dans le noyau magnétique. Ces dernières résultent des pertes par hystérésis et par courants de Foucault. De plus, les condensateurs sont très sensibles à la circulation de courants harmoniques de par leur impédance qui décroît en fonction de l’augmentation de la fréquence. Ces courants harmoniques circulent alors plus aisément dans le condensateur de faible impédance ce qui crée des échauffements qui risquent de le détruire.
Les bruits et vibrations
L’effort électrodynamiques entraînant des vibrations et des bruits dans les appareils électromagnétiques et peut engendrer des Couples mécaniques pulsatoires, dus aux champs tournants harmoniques, donnant des vibrations dans les machines tournantes.
Les différences de potentiel entre masses
La circulation de courants harmoniques dans le neutre entraîne une chute de tension dans ce conducteur. Dans le cas du SLT TN-C, les masses des différents équipements ne sont plus au même potentiel, ce qui peut être dangereux et est de nature à perturber les échanges d’informations entre deux équipements « intelligents ».
Effets sur le conducteur neutre
Dans un système équilibré, les composantes homopolaires dans le neutre sont nulles. Ceci n’est pas le cas des systèmes comportant une charge non linéaire [2]. En effet, les courants homopolaires des harmoniques de rang multiple de 3 vont s’additionner dans le conducteur neutre. L’intensité de ces courants superposés peut endommager sérieusement le câble neutre.
Dysfonctionnement d’appareils utilisant la tension comme référence
Une tension déformée peut altérer le bon fonctionnement de certains appareils électroniques qui utilisent les passages à zéro de la tension d’alimentation pour fonctionner adéquatement. En effet, les tensions harmoniques peuvent créer des faux passages de la tension à zéro, ce qui engendre un mauvais fonctionnement pour ces appareils. Divers équipements sont sensibles à cette problématique, citons : les convertisseurs de courant, les automates programmables et certains appareils électroniques domestiques.
Nécessité de Filtrage :
Ces transformateurs ne constituent pas les moyens les plus efficaces et usuels pour éliminer les harmoniques. En effet, ces montages ne fonctionnent que pour des charges qui sont équilibrées. La méthode la plus employée et efficace est celle du filtrage.
Le Filtrage des harmoniques permet d’abaisser de façon acceptable la pollution harmonique, la solution est à envisager lorsque :
La distorsion ou les courants harmoniques dépassent les limites fixées par le distributeur d’énergie. En particulier il est recommandé que l’apport de chaque utilisateur ne dépasse pas au point de livraison MT :
Taux de distorsion< 1,6 %
Taux individuel <1% pour les rangs impairs <0,6 % pour les rangs pairs.
La distorsion dépasse 5% dans une installation industrielle [5].
Filtrage passif
Le principe du filtrage passif est de modifier localement l’impédance du réseau afin de faire dévier les courants harmoniques et, du même coup, éliminer les tensions harmoniques résultantes. Ces filtres sont composés d’éléments capacitifs et inductifs qui sont disposés de manière à obtenir une résonance série sur une fréquence déterminée.
Il existe deux classes de filtres passifs permettant de réduire les harmoniques :
le shunt résonant ;
le filtre amorti.
Le shunt résonant
Le shunt résonant est constitué d’un condensateur monté en série avec une inductance. Ces éléments sont placés en dérivation sur l’installation et accordés sur un rang d’harmonique à éliminer. L’impédance de cet ensemble est très faible pour sa fréquence d’accord fr , et se comporte ainsi comme un court circuit pour l’harmonique considéré [5].
Filtre actif hybride
Également, il y a l’association d’un filtre actif avec un filtre passif que l’on appelle filtre hybride. Le rôle du filtre actif est de maintenir et d’améliorer les performances de filtrage en fonction de l’évolution de la charge et du réseau, tandis que le filtre passif s’occupe de la compensation d’une bonne partie des harmoniques.
Plusieurs combinaisons de filtres hybrides sont possibles [4,7].Il est à noter que très peu de structures hybrides ont été réalisées au niveau pratique. Nous nous contenterons ici d’en exposer quelques-unes parmi les plus connues.
Filtre hybride parallèle
Dans cette topologie, le filtre passif parallèle est davantage approprié pour la compensation d’harmoniques de faible rang (5ieme et 7’eme rangs par exemple). Pour ce qui est du filtre actif parallèle, il est davantage approprié pour la compensation des harmoniques de rang élevé. Donc, lors de la conception de ce type de filtre, il est important de bien faire le partage de compensation entre les deux filtres. En outre, le filtre actif parallèle peut être utilisé pour éliminer la résonance entre l’impédance de source et le filtre passif parallèle. Le filtre actif parallèle agit dans ce cas comme une résistance variable qui amortit les harmoniques [6].
Filtre actif parallèle à structure de courant
Sur la figure suivante est illustré le filtre actif parallèle à structure de courant. Seule l’inductance et le filtre passe-bas de deuxième ordre de sortie caractérisent cette structure. L’élément servant de source d’énergie est l’inductance (Ldf) qui doit délivrer un courant continu de valeur quasi constante, la présence du filtre de couplage sert à filtrer les tensions harmoniques générées par les courants de l’onduleur. Dans le but, d’éliminé le phénomène de résonnance, des résistances peuvent être insérées dans le filtre passe-bas.
Ce type de filtre peut être installé directement aux bornes du récepteur pollueur pour assurer une dépollution locale et au niveau du TGBT pour assurer une dépollution globale.
Stratégie de commande
La stratégie de commande se base sur la détection des courants perturbateurs dans le domaine temporel. Trois possibilités d’identification des courants perturbateurs ont déjà été proposées [12,13]:
• Identification à partir de la détection du courant de la charge polluante
• Identification à partir de la détection du courant de la source
• Identification à partir de la détection tension de la source.
La méthode la plus utilisée est celle appelée méthode des puissances réelles et imaginaires instantanées proposé par AKAGI, Cette méthode est valide aussi bien en régime permanent qu’en régime transitoire.
En présence des harmoniques, la puissance apparente est composée de trois parties active, réactive et déformante. S² = P² + Q²+D² (III.1)
Notons respectivement les tensions simples et les courants de ligne d’un système triphasé sans composante homopolaire par (va, vb, vc) et (ia, ib, ic). La transformation de Concordia permet de ramener ce système triphasé équilibré à un système diphasé dont les axes sont en quadrature.
La régulation et l’adaptation du filtre actif :
Pour que le filtre actif s’adapte aux variations de la charge on doit agir sur deux paramètres essentiels qui sont la tension continue à l’entrée de l’onduleur et le courant du filtre actif parallèle.
Régulation de la tension continue
La tension moyenne Vdc aux bornes du condensateur doit être maintenue à une valeur fixe. Les principales causes susceptibles de la modifier sont les pertes dans le filtre actif (semi-conducteur et filtre de sortie). La régulation de la tension moyenne aux bornes du condensateur de stockage d’énergie doit se faire par l’adjonction des courants fondamentaux actifs dans les courants de référence.
Suite à un écart entre VDC-ref et VDC, la puissance Pref à la sortie du régulateur s’ajoute à la puissance active fluctuante et donne lieu à un courant fondamental actif corrigeant ainsi la tension VDC. Afin d’obtenir le signal Pref, nous avons le choix entre un régulateur proportionnel et un régulateur proportionnel intégral. Ce dernier est souvent préférable du fait qu’il permet d’annuler l’erreur statique [15].
Historique et principe de la logique floue :
Aujourd’hui, la logique floue (en anglais fuzzy logic) est de grande actualité. Il s’agit d’une nouvelle méthode de traitement pour les problèmes de réglage et de prise de décision parvenant du japon. Cependant, cette argumentation n’est pas du tout correct [26].
Il apparaît, au début des années 1960, à LOTFIA ZADEH (automaticien contemporain de kalman de l’université de Californie de Berkeley) que la méthode classique utilisée en contrôle des processus (modélisation mathématique du système) n’est pas toujours viable, notamment dans le cas des systèmes complexes.
Il publie un article intitulé « fuzzy sets » présentant la théorie des ensembles flous, qui est l’origine de la logique floue [27].
Dés 1975, on trouve les premières applications au niveau des systèmes de réglage. En 1985 environ, ce sont les japonais qui commencent à utiliser la logique floue dans des produits industriels pour résoudre des problèmes de réglage et de commande.
Principe de la logique floue :
Le principe du réglage par logique floue s’approche de la démarche humaine dans le sens que les variables traitées ne sont pas des variables logique (au sens de la logique binaire par exemple) mais des variables linguistiques, proche du langage humain de tous les jours. De plus, ces variables linguistiques sont traitées à l’aide de règles qui font références à une certaine connaissance du comportement du système [28].
Toute une série de notions fondamentales sont développées dans la logique floue. Ces notions permettent de justifier et de démontrer certains principes de base. Dans ce qui suit, on va étudier ces notions et leurs domaines d’applications.
Par exemple, Les notions de température moyenne ou de courant faible sont relativement difficiles à spécifier de manière précise. On peut fixer des seuils et considérer que l’on attribue tel ou tel qualificatif en fonction de la valeur de la variable par rapport à ces seuils. Ceci ne peut exprimer qu’un avis très tranché du qualificatif « température moyenne » par exemple. L’aspect « vague » de ce qualificatif n’est pas représenté figure IV.1.
On peut définir le degré d’appartenance de la variable température à l’ensemble « faible » comme le « degré de vérité » de la proposition « la température est faible ».
En logique booléenne, le degré d’appartenance (µ) ne peut prendre que deux valeurs (0 ou1). La température peut être :
• Faible : µ faible(T) = 1 , µ moyenne(T)=0, µ élevée(T) = 0
• moyenne : µ faible(T) = 0 , µ moyenne(T)= 1, µ élevée(T) = 0
• élevée : µ faible(T) = 0 , µ moyenne(T)=0, µ élevée(T) = 1
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Table des matières
Introduction Générale
CHAPITRE I : GENERALITES SUR LES HARMONIQUES ET LEURS EFFETS SUR LE RESEAU ELECTRIQUE
I.1 Introduction
I.2 Charges industrielles génératrices d’harmoniques
I.2.1 Redresseur triphasé à diodes et filtre capacitif
I.2.2 Convertisseur de courant
I.2.2.1 Commande des machines à courant continu à vitesse variable
I.2.2.2 Commande des machines synchrones à vitesse variable
I.2.2.3 Les électrolyseurs
I.2.2.4 Les fours à induction régulés
I.2.3 Appareils à arc électrique
I.3 Les effets néfastes de la pollution harmonique
I.3.1 Les effets instantanés
I.3.2 Les effets différés
I.4 Conséquences des perturbations harmoniques
I.4.1 Phénomènes de résonance
a) Résonance parallèle
b) Résonance série
I.4.2 Échaufferaient dans les conducteurs et les équipements électriques
I.4.3 Les bruits et vibrations
I.4.4 Les différences de potentiel entre masses
I.4.5 Effets sur le conducteur neutre
I.4.6 Dysfonctionnement d’appareils utilisant la tension comme référence
CHAPITRE II : MESURES VISANT A REDUIRE LES HARMONIQUES
II.1 Introduction
II.2 Surdimensionnement de l’installation électrique
II.3 Transformateurs spéciaux
II.3.1 Transformateur de mise à la terre
II.4 Nécessité de Filtrage
II. 4.1 Filtrage passif
a) Le shunt résonant
b) Les filtres amortis
II. 4.2 Filtres Actifs
II.5 Classification des filtres actifs
a) Filtre actif série
b) Filtre actif parallèle
c) Conditionneur universel de la qualité d’onde
d) Filtre actif hybride
d. 1) Filtre hybride parallèle
d.2) Filtre hybride série
II.6 Conclusion
CHAPITRE III : FILTRE ACTIF PARALLELE ET STRATEGIE DE COMMANDE
III.1 Introduction
III.2 Structure du filtre actif
III.2.1 Filtre actif parallèle à structure de tension
III.2.2 Filtre actif parallèle à structure de courant
III.3 Stratégie de commande
III.4 La régulation et l’adaptation du filtre actif
III.4.1 Régulation de la tension continue
III.4.2 Commande de l’onduleur
III.4.2.1 Commande par hystérésis
III.4.2.2 Commande par MLI
III.4.2.2.1 régulateur proportionnel P
III.4.2.2.2 régulateur proportionnel PI
III.5 Paramètres de la simulation
III.5.1 Présentation du logiciel
III.5.2 Modèle réseau-charge polluante – filtre actif parallèle
III.6 Résultats de simulation
– 1er cas charge RL
– 2eme cas Charge RC
III.6.1 changement de la charge R1L1 R2L2
III.6.2 changement de la charge R1C1 R2C2
III.7 Analyse des résultats
III.8 Conclusion
CHAPITRE IV : REGLAGE PAR LOGIQUE FLOUE
IV.1 Introduction
IV.2 Historique et principe de la logique floue
IV.3 Principe de la logique floue
IV.3.1 Bases de la logique floue
IV.3.1.1 Variables linguistiques et les ensembles flous
IV.3.1.2 les fonctions d’appartenance
IV.3.1.3 les inférences
IV.3.1.3.1 Inférence avec une seule règle
IV.3.1.3.2 Inférence avec une plusieurs règles
IV.3.1.3.3 opération de la logique floue
IV.4 Etape de mise en œuvre d’un contrôleur flou
IV.4.1 Etape de fuzzification
IV.4.2 Etape d’inférence « le moteur d’inférence »
IV.4.2.1 Méthode de Mamdani
IV.4.3 Etape de défuzzification
IV.5 Paramètre de simulation
IV.5.1 boucle de régulateur tension
IV.5.2 boucle de régulateur courant
IV.6 Résultats de la simulation
IV.7 Conclusion
Conclusion Générale et Perspective
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