Commande numérique - Régimes intermédiaires et transitoires

Le développement de deux technologies de l’électronique a permis une formidable amélioration des performances des systèmes électriques en autorisant deux types de progrès. Les progrès de l’électronique de puissance ont permis d’augmenter simultanément les puissances et les fréquences des convertisseurs statiques. Parallèlement, les progrès de la microélectronique ont fait croître massivement « l’intelligence » des comportements des grands systèmes industriels en autorisant l’utilisation de toutes sortes d’algorithmes visant aussi bien à améliorer le pilotage des systèmes par l’homme, que l’obtention de meilleures performances techniques (rendement, facteur de puissance) et de meilleures performances dynamiques (rapidité, stabilité).

Quand on ne s’intéresse qu’aux moteurs à courant continu, on a affaire à des systèmes monophasés où les grandeurs relatives à l’alimentation et au contrôle tendent vers des valeurs constantes en régime permanent. Ces propriétés simplifient les méthodes de commande. Mais, dans le cas des machines à courants alternatifs, celles-ci sont polyphasées (triphasées le plus souvent) et les grandeurs d’alimentation et de commande sont toujours variables, même en régime permanent où elles sont sinusoïdales. Les machines doivent donc être alimentées par des sources adéquates, elles-mêmes pilotées de façon judicieuse. Il y a donc une étape fondamentale dans la commande des machines : la commande du convertisseur statique, qui est ici un onduleur.

Les systèmes à courant alternatif triphasé posent des problèmes spécifiques. Quand les applications exigent des performances dynamiques élevées, des stratégies de modulation des convertisseurs spécifiquement adaptées aux régimes transitoires deviennent nécessaires. C’est, par exemple, le cas pour l’utilisation de servomoteurs synchrones pour les machines-outils et la robotique, ou pour l’utilisation de moteurs asynchrones en traction. Dans cet article nous présentons différentes stratégies possibles, en suivant une progression, depuis les régimes intermédiaires, qui sont des adaptations des méthodes conçues en régime permanent pour traiter malgré tout les changements de fréquence, jusqu’aux stratégies vectorielles qui sont directement conçues pour les régimes transitoires représentées en transformées de Concordia. Nous traitons ici principalement le cas de la commande des onduleurs de tension à deux niveaux.

Nous nous appuyons le plus souvent sur les méthodes de pilotage en modulation de largeur (MLI) avec porteuse. Celles-ci ont différentes variantes et peuvent être appliquées aussi bien en régime permanent qu’en régime transitoire. Le principe est défini dans le cas des montages en technologie analogique, car on peut considérer ce cas comme « idéal », qu’il faut ensuite transposer en technologie numérique. Le cas de l’utilisation de la modulation sinusoïdale permet de montrer une application de la MLI avec porteuse au cas du régime permanent. Il existe une méthode de pilotage, celle de la double modulation, où l’on superpose une MLI prédéterminée, donc conçue en régime permanent, et une MLI avec porteuse, conçue, elle, pour les régimes transitoires. Il est également important de pouvoir transformer un onduleur de tension en source de courants triphasés : c’est ce qui permet la commande de courant en fourchette.

La transposition en numérique des MLI avec porteuse conduit à diverses solutions qui ont des caractéristiques (souvent définies en termes d’harmoniques) différentes. Nous en verrons les principales solutions. Certains critères techniques, comme l’évitement des distorsions ou la minimisation du nombre des commutations, conduisent à des solutions originales.

Les MLI avec porteuse sont habituellement conçues directement sur les grandeurs triphasées que l’on peut analyser à l’aide de la transformée de Concordia. Mais il est de plus en plus fréquent que l’on conçoive directement les modulations à partir des transformées de Concordia : il s’agit alors de la modulation vectorielle qui s’affranchit de la notion de porteuse et qui donne naissance à une méthode de conception très puissante.