contribution a la commande d'un onduleur a résonance destine au chauffage par induction

200 Pages·2014·3.13 MB·French

MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
UNIVERSITE DES SCIENCES ET DE LA TECHNOLOGIE
MOHAMED BOUDIAF ORAN

FACULTE DE GENIE ELECTRIQUE
THESE
Présentée par :
HHHHEEEELLLLAAAAIIIIMMMMIIII MMMM’’’’HHHHAAAAMMMMEEEEDDDD

Pour obtenir le diplôme
DDDDOOOOCCCCTTTTOOOORRRRAAAATTTT EEEEssss----SSSScccciiiieeeennnncccceeee
SSSSppppéééécccciiiiaaaalllliiiittttéééé :::: Electrotechnique
OOOOppppttttiiiioooonnnn :::: Commande électrique

THEME
CCCCOOOONNNNTTTTRRRRIIIIBBBBUUUUTTTTIIIIOOOONNNN AAAA LLLLAAAA CCCCOOOOMMMMMMMMAAAANNNNDDDDEEEE DDDD’’’’UUUUNNNN OOOONNNNDDDDUUUULLLLEEEEUUUURRRR
AAAA RRRRÉÉÉÉSSSSOOOONNNNAAAANNNNCCCCEEEE DDDDEEEESSSSTTTTIIIINNNNEEEE AAAAUUUU CCCCHHHHAAAAUUUUFFFFFFFFAAAAGGGGEEEE PPPPAAAARRRR IIIINNNNDDDDUUUUCCCCTTTTIIIIOOOONNNN

Soutenue le : 19/06/2014 devant le jury composé de :
Mr. M. BOURAHLA Professeur MB-UST Oran Président
Mr. B. BELMADANI Professeur UHB Chlef Encadreur

Mr. A. MANSOURI Professeur ENP Oran Examinateur
Mr. K. M. ZEMELACHE MCA MB-UST Oran Examinateur

Mr. M. CHENAFA MCA ENP Oran Examinateur
Mr. G. BACHIR MCA MB-UST Oran Examinateur

AAAAnnnnnnnnééééeeee uuuunnnniiiivvvveeeerrrrssssiiiittttaaaaiiiirrrreeee :::: 2013-2014
Je tiens à adresser mes plus sincères remerciements aux membres du
jury: le Professeur MMMM.... BBBBOOOOUUUURRRRAAAAHHHHLLLLAAAA, le Professeur AAAA....
MMMMAAAANNNNSSSSOOOOUUUURRRRIIII, le Docteur MMMM.... CCCCHHHHEEEENNNNAAAAFFFFAAAA, le Docteur GGGG.... BBBBAAAACCCCHHHHIIIIRRRR
et le Docteur KKKK.... MMMM.... ZZZZEEEEMMMMEEEELLLLAAAACCCCHHHHEEEE.
Je remercie tout particulièrement Monsieur BBBBaaaacccchhhhiiiirrrr BBBBEEEELLLLMMMMAAAADDDDAAAANNNNIIII,
Professeur à l’Université de Chlef, de m'avoir encadré durant ces années
de Doctorat en étant toujours disponible et encourageant, pour son aide et
conseils et pour ses grandes valeurs humaines.
J’associe à ces remerciements Monsieur MMMMuuuussssttttaaaapppphhhhaaaa
BBBBEEEENNNNGGGGHHHHAAAANNNNEEEEMMMM, Docteur à l’université des sciences et de la technologie
d’Oran, pour sa disponibilité lors des nombreux échanges de vues qui ont
contribué à l’aboutissement de cette thèse.
Je voudrais exprimer mes remerciements les plus sincères à Professeur
MMMMaaaaaaaammmmaaaarrrr BBBBEEEETTTTTTTTAAAAYYYYEEEEBBBB, professeur à l’université de Sharjah pour ses
directives fort intéressantes et son soutien considérable, qu'il soit
scientifique ou moral. Je tiens également à saluer son grand
professionnalisme d'encadrement, ainsi que son talent à gérer les
divergences d'opinions.
Je voudrais dédier cette thèse aux êtres qui me sont les plus chers au
monde, les membres de ma famille, mmmmoooonnnn ppppèèèèrrrreeee, mmmmaaaa mmmmèèèèrrrreeee « allah
yarhameha», mmmmeeeessss ffffrrrrèèèèrrrreeeessss et mmmmeeeessss ssssœœœœuuuurrrrssss, mmmmaaaa ffffeeeemmmmmmmmeeee et plus spécialement à
mes enfants AAAAbbbbddddeeeerrrraaaahhhhmmmmaaaannnneeee et AAAAmmmmoooouuuunnnnaaaa sans oublier ma femme « allah
yarhameha » pour sa patience et les sacrifices qu’elle a consentis pendant
la préparation de la thèse.
Finalement,je remrci beacoup mes amis : DDDDjjjjiiiillllllllaaaalllliiii, GGGGhhhhaaaannnneeeemmmm,KKKKaaaammmmeeeellll,,,,
LLLLaaaattttrrrroooocccchhhheeee,,,, DDDDjjjjaaaammmmeeeellll,,,, SSSSooooffffiiiiaaaannnneeee,,,, HHHHaaaaddddjjjj,,,,…………....
Liste des symboles

Liste des symboles

(cid:1)(cid:2)(cid:2)(cid:3) L’induction magnétique
(cid:4)(cid:2)(cid:2)(cid:3) Le champ électrique
(cid:5) La densité volumique de charge électrique
(cid:6)
(cid:7) La permittivité diélectrique du vide
(cid:8)
(cid:9)(cid:3) La densité de courant électrique
(cid:10) La perméabilité du vide
(cid:8)
(cid:11) La conductivité électrique
(cid:10) La perméabilité relative du milieu
(cid:12)
(cid:13) La température
(cid:14) La masse volumique
(cid:15)
(cid:16) La chaleur spécifique
(cid:17) La conductibilité thermique
(cid:18) La densité volumique de puissance dissipée localement
(cid:15)
(cid:19) Le flux de chaleur perdu par convection
(cid:16)
(cid:19) Le flux de chaleur perdu par rayonnement
(cid:12)
(cid:20) Le vecteur normal unitaire à la surface
(cid:21) Le coefficient de convection
(cid:13) La température de surface de la charge
(cid:22)
(cid:13) La température de fluide
(cid:23)
(cid:11) La constante de Stefan
(cid:12)
(cid:7) L’émissivité
(cid:12)
(cid:24) La fréquence du courant imposé dans l’inducteur
(cid:22)
(cid:5) La résistivité électrique de la pièce considérée
(cid:25) La profondeur de pénétration
(cid:26) La masse de la pièce à chauffer
Liste des symboles

(cid:13) La température ambiante
(cid:8)
(cid:16) La capacité thermique relative du matériau
(cid:27) Le temps nécessaire pour le chauffage
(cid:12) Le rayon de la pièce à chauffer
(cid:28)
(cid:29) La longueur de la pièce à chauffer
(cid:18) La puissance transmise à la charge
(cid:18) La puissance dissipée dans l’inducteur
(cid:30)
(cid:31) Le rendement électrique
, La pulsation
(cid:22)
" Le facteur de qualité d’un circuit résonant série
(cid:22)
" Le facteur de qualité d’un circuit résonant parallèle
#
(cid:18) Les pertes par commutation
(cid:16)
$ La tension de commutation
(cid:16)
% Le courant de commutation
(cid:16)
(cid:24) La fréquence de commutation
(cid:16)
(cid:27) Le temps de fermeture
(cid:24)
(cid:27) Le temps d’ouverture
&
’ ((cid:27)) La tension imposée par l’onduleur
()
,,, ,, Les angles du palier nul de la tension
(cid:6) -
( et ) Les coefficients de Fourier
(cid:20) (cid:20)
. L’amplitude de la tension imposée
(cid:23)
(cid:13)/0 Le taux de distorsion harmonique
(cid:19) Le déphasage
(cid:6)
1 La valeur du facteur de forme
2 L’inductance du filtre
(cid:24)
3 La capacité du filtre
(cid:24)
. La tension en sortie du redresseur
4
Liste des symboles

$ La tension en sortie du filtre LC
(cid:30)
(cid:30) ((cid:27)) Le courant traversant l’inductance série
(cid:22)
(cid:30)((cid:27)) Le courant traversant l’inducteur
(cid:30) ((cid:27)) Le courant qui traverse la diode
0
(cid:30) ((cid:27)) Le courant qui traverse le transistor
(cid:13)
(cid:14) L’inductance mutuelle
5 La résistance équivalente
(cid:23)6
2 L’inductance équivalente
(cid:23)6
7 Le coefficient du couplage
8 La constante de temps
2 L’inductance ramenée au primaire du transformateur
5 La résistance ramenée au primaire du transformateur
3 La capacité ajoutée
(cid:15) ((cid:27)) La tension aux bornes de la capacité
(cid:16)
9 L’impédance totale
(cid:27)
/ Le gain en courant
(cid:30)
/ Le gain en tension
(cid:15)
La pulsation du circuit parallèle
#
Le rapport des pulsations
(cid:20)
2 Le rapport des inductances
(cid:23)
5 La partie réelle de l’impédance totale
(cid:23)
% La partie imaginaire de l’impédance totale
(cid:26)
(cid:19) Le déphasage du courant par rapport à la tension
(cid:6)
: Le nombre de spires de l’inducteur
;((cid:27)) Le vecteur d’état
’((cid:27)) Le vecteur de commande
<((cid:27)) Le vecteur de sortie
Liste des symboles

0 Le rapport cyclique
= ,. ,> Le point d’équilibre
(cid:23) (cid:23) (cid:23)
;?((cid:27)) Le vecteur d’état perturbé
’?((cid:27)) Le vecteur de commande perturbé
<?((cid:27)) Le vecteur de sortie perturbé
@A La phase du signal d’entrée
(cid:23)
B Le facteur de sensibilité du comparateur de phase
4
B , 8 Les paramètres du filtre
(cid:24) (cid:24)
B Le facteur de sensibilité du VCO
(cid:8)
@A La phase issue du VCO
(cid:22)
C ((cid:22)) La fonction de transfert du circuit PLL
(cid:18)22
(cid:27) Le temps de montée
(cid:26)
D L’amortissement
(cid:27) Le temps de réponse
(cid:12)
0 Le dépassement
(cid:22)
, La pulsation propre
(cid:8) #
C((cid:22)) La fonction de transfert du système étudié
C ((cid:22)) La fonction de transfert du système réduit
(cid:12)
B Le gain critique
’
(cid:13) La période critique
’
B Le gain proportionnel
#
(cid:13) La constante d’intégration
(cid:30)
B Le gain proportionnel optimal
#&
(cid:13) La constante d’intégration optimale
(cid:30)&
B Le gain proportionnel
#1
(cid:13) La constante d’intégration
(cid:30)1
Liste des figures

Liste des figures

Fig. I.1 : Exemple d’inducteurs utilisés en milieu industriel 1
Fig. I.2 : Schémas équivalents de l’inducteur et la pièce de travail 9
Fig. I.3 : La configuration RLC série 11
Fig. I.4 : La configuration RLC parallèle (1ier type) 12
Fig. I.5 : La configuration parallèle (2ème type) 13
Fig. I.6 : La configuration série-parallèle type LLC 14
Fig. I.7 : La configuration RLC en demi-pont 14
Fig. I.8 : La configuration RLC série à diviseur asymétrique 15
Fig. I.9 : La topologie LCC en demi-pont 15
Fig. I.10 : La configuration LLC à deux circuits oscillants 16
Fig. I.11 : boucle de régulation de puissance fournie à la pièce traitée 20

Fig. II.1 : Principe de chauffage par induction d’une pièce cylindrique 27
Fig. II.2 : Distribution de la chaleur dans une pièce cylindrique 30
Fig. II.3 : Répartition de la densité de courant depuis la surface 31
Fig. II.4 : L’évolution de en fonction de pour différentes valeurs de 33
(cid:1) (cid:3) (cid:4)
(cid:2)
Fig. II.5 : L’évolution de en fonction de pour différentes valeurs de 34
(cid:1) (cid:3) (cid:4)
(cid:2)
Fig. II.6 : La résistivité de l’acier en fonction de la température 34
Fig. II.7 : Forme cylindrique d’un acier 35
Fig. II.8 : Circuits RLC série et parallèle 38
Fig. II.9 : L’évolution du déphasage 39
Fig. II.10 : La commutation dure 41
Fig. II.11 : La commutation dure adoucie 41
Fig. II.12 : La commutation douce (ZVS, ZCS) 41
Fig. II.13 : Formes d’onde de la tension et le courant 43
Fig. II.14 : Formes d’ondes de la tension et du courant 44
Fig. II.15 : Formes d’ondes de la tension et du courant 45
Fig. II.16 : Variation de la tension normalisée en fonction de 46
(cid:5)
Fig. II.17 : Variation de la phase en fonction de 47
(cid:5)
Fig. II.18 : Variation du taux de distorsion harmonique en fonction de 48
(cid:5)
Liste des figures

Fig. II.19 : Forme générale de la tension imposée par l’ordinateur 48
Fig. II.20 : L’évolution de en fonction de et pour ° 49
(cid:6) (cid:5) (cid:5) (cid:11) = 180
(cid:7)(cid:8)(cid:9) (cid:9) (cid:10)
Fig. II.21 : L’évolution de en fonction de et pour ° 50
∅ (cid:5) (cid:5) (cid:11) = 180
(cid:9) (cid:9) (cid:10)
Fig. II.22 : L’évolution de en fonction de et pour 50
∅ (cid:5) (cid:5) (cid:11) = 90°
(cid:9) (cid:9) (cid:10)
Fig. II.23 : Variation de en fonction de l’angle 51
(cid:19) (cid:5)
(cid:20)

Fig. III.1 : Onduleur à résonance série-parallèle type LLC 53
Fig. III.2 : Redresseur triphasé type PD3 54
Fig. III.3 : Le filtre LC 55
Fig. III.4 : Schéma détaillé de la commande utilisée 56
Fig. III.5 : Principe de la boucle de puissance 57
Fig. III.6 : Différentes phases de fonctionnement 58
Fig. III.7 : Principales phases de fonctionnement de l’onduleur 59
Fig. III.8 : Phase 01 60
Fig. III.9 : Phase 02 61
Fig. III.10 : Phase 03 61
Fig. III.11 : Phase 04 62
Fig. III.12 : Phase 05 62
Fig. III.13 : Phase 06 63
Fig. III.14 : Phase 07 63
Fig. III.15 : Phase 08 64
Fig. III.16 Forme d’onde des Tensions et courants aux niveaux des interrupteurs 65
Fig. III.17 : Transformateur avec secondaire court-circuité 67
Fig. III.18 : Une charge avec un transformateur d’adaptation 69
Fig. III.19 : Schéma équivalent simplifié 69
Fig. III.20 : Variation du module de (cid:22) en fonction de 72
(cid:21) (cid:21) (cid:19)
(cid:20)
(cid:23)
Fig. III.21 : Variation de la phase en fonction de 72
(cid:19)
(cid:20)
Fig. III.22 : Forme d’onde de la tension imposée aux bornes du circuit oscillant 73
Fig. III.23 : Variation du module de (cid:23).(cid:25)(cid:26)(cid:27) en fonction de 75
(cid:19)
(cid:20)
(cid:28)(cid:29)(cid:30)(cid:27)
Fig. III.24 : Variation du module de (cid:23).(cid:25)(cid:27) en fonction de 75
(cid:19)
(cid:20)
(cid:28)(cid:29)(cid:30)(cid:27)
Fig. III.25 : Variation du module de (cid:31) (cid:27) en fonction de 75
(cid:19)
(cid:20)
(cid:28)(cid:29)(cid:30)(cid:27)
Liste des figures

Fig. III.26 : Variation du gain en tension en fonction de 76
(cid:19)
(cid:20)
Fig. III.27 : Variation de la phase du gain en tension en fonction de 77
(cid:19)
(cid:20)
Fig. III.28 : L’influence du rapport des inductances sur le gain en tension 77
Fig. III.29 : Variation du gain en courant fonction de 78
(cid:19)
(cid:20)
Fig. III.30 : Variation de l’argument du gain en courant en fonction de 79
(cid:19)
(cid:20)
Fig. III.31 : Evolution du rapport en fonction de 82
! #
" (cid:9)
Fig. III.32 : Evolution du rapport gain en courant en fonction de 82
!
"
Fig. III.33 : Forme d’onde de la tension et le courant 86
$ (&) ( (&)
(cid:7)(cid:8) )
Fig. III.34 : Formes d’ondes de la tension et le courant 86
* (&) ((&)
+
Fig. III.35 : La commutation à zéro de tension 87
Fig. III.36 : Forme d’onde de : et pour , , 88
$ (&) ((&) (cid:5) = 45° (cid:5) = 90° (cid:5) = 135°
(cid:7)(cid:8)

Fig. IV.1 : Les différentes étapes de la modélisation 92
Fig. IV.2 : Analyse topologique de l’onduleur 92
Fig. IV.3 : Modèle à grands signaux 95
Fig. IV.4 : Comparaison des réponses des différentes sorties du système 96
Fig. IV.5 : Modèle à petits signaux 99
Fig. IV.6 : Le schéma bloc du convertisseur 101
Fig. IV.7 : Diagramme de Bode des deux fonctions de transfert 102
Fig. IV.8 : Modèle à petits signaux de la commande proposée 103
Fig. IV.9 : Schéma bloc de la commande PLL 103
Fig. IV.10 : La réponse fréquentielle du système en boucle ouverte 105
Fig. IV.11 : Réponse indicielle du système en boucle fermée 107
Fig. IV.12 : Test de robustesse 108

Fig. V.1 : Organigramme d’un Algorithme Génétique 112
Fig. V.2 : Croisement standard en un seul point 113
Fig. V.3 : Croisement standard en deux points 113
Fig. V.4 : Opérateur de mutation 114
Fig. V.5 : Roue de sélection naturelle 115
Fig. V.6 : Système de commande à retour unitaire 117
Fig. V.7 : Réponse indicielle du système en boucle fermée 120
Liste des figures

Fig. V.8 : Test de robustesse 121
Fig. V.9 : Configuration interne d’un régulateur flou 125
Fig. V.10 : Les fonctions d’appartenance 126
Fig. V.11 : Les fonctions d’appartenance 127
Fig. V.12 : Méthode d’interférence Max-Min 128
Fig. V.13 : Méthode d’interférence Max-Prod 129
Fig. V.14 : Méthode d’interférence Som-Prod 130
Fig. V.15 : Principe de la défuzziffication par valeur maximale 131
Fig. V.16 : Principe de la défuzziffication par centre de gravité 131
Fig. V.17 : Schéma bloc de la commande proposée 132
Fig. V.18 : Cinq fonctions d’appartenance 133
Fig. V.19 : Réponse indicielle du système en boucle fermée 134
Fig. V.20 : Test de robustesse 135
Fig. V.21 : Région de stabilité des systèmes d’ordre fractionnaire 142
Fig. V.22 : Le correcteur PIλDδ avec les ordres fractionnaires 146
Fig. V.23 : Réponse indicielle du système en boucle fermée 148
Fig. V.24 : Test de robustesse 149

Fig. C.1 : Comparaison de la réponse du système original et le système réduit 155
Fig. D.1 : Réponse indicielle d’un système en boucle fermée 156