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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE Ministère de l’Enseignement Sup

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université Abderrahmane MIRA de Bejaïa Faculté de Technologie Département de Génie Electrique Mémoire de fin de cycle En vue de l’obtention du diplôme de Master II en Electrotechnique Option : Electromécanique Thème Réalisé par : Encadré par : BOUZELMADEN Salim Mr. GHEDAMSI Kaci Mr. ADLI Mouloud -Promotion 2012- Etude et Réalisation d’un onduleur sept niveaux en Cascade Remerciements Je loue Dieu pour m’avoir prêté vie, aide et patience tout le long du cycle universitaire. Je tiens vivement à exprimer toute ma reconnaissance à : Mes deux promoteurs Mr K. GHEDAMSI et Mr M.ADLI D’avoir accepté de diriger ce travail, pour leur confiance et leur disponibilité qu’ils m’ont montrées. Aux membres de jury qui ont accepté de juger ce travail. Tout le groupe avec lequel on a partagé de très bons moments au laboratoire où notre projet a été réalisé. Toutes les personnes qui ont contribués de près ou de loin à ce que je suis aujourd’hui, merci à tous. Je dédie ce modeste travail à Mes très chèrs, mère et père qui m’ont toujours soutenu durant toutes les périodes de vie, que Dieu le tout puissant les protègent et les gardent. Mes chers frères et sœurs qui grâces à eux j’ai pu être toujours fort dans les moments difficiles (Fayçal, Lynda) que Allah les protège. Mes deux grand-mères qui m’on apprit la modestie des anciens que Allah les protège. La famille BOUZELMADEN Tous mes amis, à commencer par Sofiane, Fahim, Idir, Rafik, Yazid, Samir…ainsi que tous les habitants de mon village Tiouririne. Liste des figures N° de la figure Titres Pages Figure I.1 Figure I.2 Figure I.3 Figure I.4 Figure I.4.1 Figure I.4.2 Figure I.5 Figure I.6 Figure I.7 Figure I.8 Figure I.9 Figure I.10 Figure I.11 Figure I.12 Figure I.13 Figure I.14 Figure I.15 Figure I.16 Figure I.17 Schéma bloc de la conversion continue-alternative. Interrupteur bidirectionnel. Onduleur demi-pont. Onduleur en pont. La forme de tension et de courant aux bornes d’une charge résistive. La forme de tension et de courant aux bornes d’une charge inductive. Schéma d’un bras d’onduleurs à : (a) Deux niveaux, (b) Trois niveaux, (c) N niveaux. Schéma de classification des convertisseurs multiniveaux. Bras d’onduleur en cascade à N-niveaux. Forme d’onde pour un onduleur à N niveaux. Bras d’onduleur NPC à N niveaux. Bras d’onduleur à trois niveaux clampé par le neutre. Bras d’un convertisseur multicellulaire série à N niveaux. Convertisseur Multicellulaire superposé (SMC). Exemple de variateur de vitesse pour piloter les moteurs. Schéma de principe de filtrage actif. Convertisseur configurable pour locomotive multi courants. Convertisseur multiniveaux dans les bâtiments maritimes. Convertisseur multiniveaux insérer dans un générateur éolien. 3 3 4 4 4 5 6 7 8 9 10 10 11 12 13 14 14 14 15 Figure II.1 Figure II.2 Figure II.3 Figure II.4 Figure II.5 Figure II.6 Figure II.7 Figure II.8 Figure II.9 Figure II.10 Figure II.11 Figure II.12 Figure II.13 Figure II.14 Figure II.15 Interrupteur bidirectionnel équivalent à la paire transistor-diode. Représentation d’une cellule de commutation. Répartition des différents types de composants en fonction de la puissance et de la fréquence d’utilisation. Structure en pont à trois niveaux. Bras d'onduleur en cascade à trois niveaux. Séquences de fonctionnement d'un bras d'onduleur en cascade à trois niveaux. d'ondes d'un bras d'onduleur en cascade à trois niveaux. Schéma d'un onduleur monophasé en cascade à 5 niveaux. Principe et exemples de mécanisme de commutation a-) Génération de Vao = + E, b-) Génération de Vao = 0, c-) Génération de Va=2E. Formes d'ondes d'un bras d'onduleur de tension en cascade à cinq niveaux. Arrangement généralisé de convertisseur en cascade à N niveaux. Tension de sortie d’un onduleur en cascade à N niveaux. Allure de la tension Vao en fonction de l’angle d’amorçage α1. Spectre de distorsion harmonique pour un onduleur à trois niveaux. Forme d’onde de la tension à sept niveaux d’un onduleur en cascade. 17 17 18 19 19 20 20 21 22 23 23 24 26 26 27 Figure II.16 Spectre de distorsion harmonique pour un onduleur à sept niveaux. 27 Figure III.1 Figure III.2 Figure III.3 Figure III.4 Figure III.5 Figure III.6 Figure III.7 Figure III.8 Schéma de la technique triangulo-sinusoïdale. Principe de la MLI sinusoïdale. Schéma d’implantation d’un onduleur multiniveau avec un ensemble de porteuses. Exemple de signaux modulés avec les principaux agencements de porteuses. Porteuse en phase. Le signal de référence et les six porteuses pour un onduleur à sept niveaux. Tension de sortie de l’onduleur à sept niveaux obtenue par MLI pour (m=36 ; r=0.8). Représentation du spectre d’harmonique. 33 34 35 35 36 37 37 37 Figure IV.1 Figure IV.2 Figure IV.3 Figure IV.4 Figure IV.5 Figure IV.6 Figure IV.7 Figure IV.8 Figure IV.9 Figure IV.10 Figure IV.11 Figure IV.12 Figure IV.13 Figure IV.14 Figure IV.15 Figure IV.16 Figure IV.17 Figure IV.18 Figure IV.19 Figure IV.20 Figure IV.21 Figure IV.22 Figure IV.23 Schéma bloc global du convertisseur. Brochage du circuit. Architecture interne du microcontrôleur PIC 16F84A. Circuit de générateur de la tension de commande. Photo de la carte du circuit de puissance. Brochage de l’inverseur TC4069UBP. Schéma fonctionnel de l’inverseur. Schéma fonctionnel de l’optocoupleur. Montage de l’optocoupleur. Photo du circuit d’isolation galvanique. Brochage du driver IR2112. Montage du driver. Photo de la carte du driver IR2112. Photo de la carte d’interface. Photo de la carte du PIC. Signal d’entrée du HCPL3120. Signal de sortie. Représentation des signaux inversés. Signaux de commandes après le retard. Photo des signaux de commandes du premier pont. Photo des signaux de commandes du deuxième pont. Photo des signaux de commandes du troisième pont. Allure de tension d’un onduleur à 2niveaux. 39 40 41 43 43 44 44 45 45 45 46 46 47 47 48 48 48 49 49 49 50 50 51 Sommaire Sommaire Introduction générale.................................................................................................................. 1 Chapitre I : Historique des onduleurs multiniveaux................................................................... 3 I.1. Introduction....................................................................................................................... 3 I.2. principe de l’onduleur de tension ..................................................................................... 3 I.2.1. Onduleur en demi-pont............................................................................................... 3 I.2.2. Onduleur monophasé en pont ..................................................................................... 4 I.3. Historique des onduleurs multiniveaux ............................................................................ 5 I.4. Intérêt des onduleurs multiniveaux................................................................................... 6 I.5. Principe ............................................................................................................................. 6 I.6. Apparition des onduleurs multiniveaux ........................................................................... 7 I.6.1. Introduction................................................................................................................. 7 I.6.2. Les principales topologies des onduleurs multiniveaux ............................................ 8 I.6.3. Les convertisseurs multiniveaux en cascade (mise en série) ..................................... 8 a) Structure ................................................................................................................. 8 b) Caractéristiques principales .................................................................................... 9 I.6.4. Onduleur NPC............................................................................................................. 9 a) Structure ................................................................................................................. 9 b) Caractéristiques principales ................................................................................. 10 I.7. Onduleur à cellule imbriqué............................................................................................ 11 I.7.1. Convertisseur multicellulaire série (FC) ................................................................. 11 a) Structure .............................................................................................................. 11 b) Caractéristiques principales ................................................................................. 11 I.8. Convertisseur multicellulaire superposé (SMC) ............................................................ 12 a) Structure .............................................................................................................. 12 b) Caractéristiques principales ................................................................................. 12 I.9. Application des onduleurs multiniveaux ....................................................................... 13 I.9.1. La variation de vitesse des machines alternatives .................................................... 13 I.9.2. Dans les réseaux électriques .................................................................................... 13 I.9.2.1. Filtrage actif .............................................................................................................. 13 I.9.2.2. Traction électrique ............................................................................................. 14 I.9.2.3. Les réseaux de bord des bâtiments maritimes .................................................... 14 I.9.2.4. Générateur à base d’une source d’énergie renouvelable ................................... 15 I.10. Conclusion .................................................................................................................... 15 Chapitre II : Etude du circuit de puissance .............................................................................. 16 II.1. Introduction ................................................................................................................... 16 II.2. Modélisation des onduleurs en cascade...................................................................... 16 II.2.1. Idée de base .......................................................................................................... 16 II.2.2. Description d’interrupteur bidirectionnel ............................................................. 17 II.2.3. La cellule élémentaire de commutation................................................................ 17 II.3. Onduleur en cascade................................................................................................... 18 II.3.1. Onduleur à trois niveaux en cascade .................................................................... 19 II.3.1.1. Structure.......................................................................................................... 19 II.4. Modélisation de l’onduleur multiniveaux de type cascade......................................... 19 II.4.1. Onduleur en cascade à trois niveaux .................................................................... 19 II.4.2. Principe de fonctionnement.................................................................................. 19  Récapitulatif ............................................................................................... 21 II.5. Onduleur à cinq niveaux de type cascade................................................................... 21 II.5.1. Structure................................................................................................................ 21 II.5.2. Principe de fonctionnement.................................................................................. 21  Récapitulatif ............................................................................................... 23 II.6. Généralisation de la structure en cascade à N niveaux de tension ............................. 23 II.6.1. Structure................................................................................................................ 23 II.6.2. Principe de fonctionnement.................................................................................. 24  Récapitulatif ............................................................................................... 24 II.7. Stratégie d’élimination d’harmonique........................................................................ 24 II.7.1. Optimisation d’un bras d’onduleur en cascade à trois niveaux............................ 25 II.7.2. Optimisation d’un bras d’onduleur en cascade à sept niveaux............................. 26 II.7.3. Interprétation ........................................................................................................ 28 II.8. Conclusion.................................................................................................................. 28 Chapitre III : Etude de la commutation et l’algorithme de contrôle ........................................ 29 III.1. Introduction .................................................................................................................. 29 III.2. Technique de commande des convertisseurs multiniveaux ......................................... 29 III.2.1.Choix de la technique ............................................................................................. 29 III.3. Harmonique.................................................................................................................. 30 III.3.1. Série de Fourier ...................................................................................................... 30 III.3.2. Coefficient de Fourier ............................................................................................ 30 III.3.2.a. Symétrie par rapport à la demi-période............................................................ 31 III.3.2.b. Symétrie par rapport au quart de la période ..................................................... 32  Interprétation............................................................................................ 32 III.4. La stratégie de modulation ........................................................................................... 32 III.5. Technique triangulo-sinusoïdale ................................................................................. 33 III.5.1. Objectif................................................................................................................... 33 III.5.2. Principe................................................................................................................... 33 III.5.3. Modulation ............................................................................................................. 34 III.6. Application aux onduleurs multiniveaux .................................................................... 34 III.6.1. Principe de la stratégie triangulo-sinusoïdale appliqué aux onduleurs multiniveaux .................................................................................................................................................. 35  Interprétation.............................................................................................. 36  Récapitulatif .............................................................................................. 38 III.7. Conclusion ...................................................................................................................... 38 Chapitre IV : Réalisation pratique et essais expérimentaux ................................................... 39 IV.1. Introduction.................................................................................................................. 39 IV.2. Générateur du signal de commande............................................................................. 39 IV.3. Définition ..................................................................................................................... 39 IV.4. Description du PIC (Programmable Interface Contrôle) ............................................ 39 IV.4.1. Caractéristique du PIC ........................................................................................... 40 IV.4.2. Architecture interne générale du microcontrôleur PIC16F84 ............................... 41 IV.4.3. Description uploads/Ingenierie_Lourd/ etude-et-realisation-d-x27-un-onduleur-sept-niveaux-en-cascade.pdf