Commande numérique des machines - Systèmes triphasés : régime permanent

La commande numérique des systèmes triphasés, convertisseurs statiques ou machines tournantes, pose certains problèmes qui leur sont spécifiques et que l’on n’a pas rencontrés dans les articles précédents. Ce sont ces questions que nous traitons en priorité dans ce fascicule. Comme dans les articles précédents, c’est la modélisation, ici la modélisation spécifique des systèmes triphasés, qui nous sert de guide puisque la commande numérique a souvent comme but initial la réalisation, en temps réel, de calculs qui servent à compenser les non-linéarités propres à la machine et au convertisseur.

Il est donc essentiel de connaître les mises en équation des machines à courant alternatif et des convertisseurs pour en déduire les schémas fonctionnels à partir desquels les commandes sont conçues. Les mises en équation des machines sont basées habituellement sur des transformations qui existent sous différentes variantes. Nous utilisons ici systématiquement la transformée de Park sous forme normée, qui a l’avantage de ne faire intervenir que des grandeurs réelles, ce qui permet une mise en œuvre directe. Cette transformée combine une transformée triphasé-diphasé (sous forme normée ; Concordia) et une rotation. Nous utilisons le même formalisme (Concordia) pour représenter les convertisseurs et les dispositifs de commande de ceux-ci (modulateurs).

Dans cet article, nous présentons principalement les commandes des onduleurs de tension triphasés puisqu’il faut bien comprendre qu’on ne commande pas des machines. En réalité on commande des convertisseurs qui alimentent les machines. Actuellement les convertisseurs les plus universellement utilisés sont les onduleurs de tension en commutation forcée à deux niveaux, où les interrupteurs sont habituellement des transistors et des GTO, et c’est sur eux que porte l’essentiel de cet exposé.

Nous allons chercher à présenter ces commandes de convertisseurs à partir des modélisations, pour en déduire des schémas fonctionnels et des architectures de commande, tant sur le plan matériel que sur le plan logiciel (diagrammes temporels). Les architectures évoluent très vite avec l’apparition de nouveaux composants (et l’apparition toute récente de composants analogiques programmables permet de penser que des révolutions auront encore lieu sur les architectures). Nous avons cherché un équilibre entre les représentations abstraites, déduites des modélisations et qui devraient résister au temps, et des réalisations industrielles pratiques afin de concrétiser ces phénomènes.

Le paragraphe 1 rappelle les notions classiques sur les transformées appliquées aux systèmes triphasés. Le paragraphe 2 présente le fonctionnement des onduleurs de tension sous l’angle appelé maintenant vectoriel. Les paragraphes suivants sont consacrés à diverses stratégies de commande : pour les distinguer, le lecteur devra toujours avoir en tête que deux grandes catégories existent : les commandes conçues en régime permanent sinusoïdal et les commandes conçues en régime transitoire. En particulier, les critères qui caractérisent ces deux types de conception sont très différents.

Dans le cas des conceptions en régime permanent dominent les critères d’optimisation électrotechnique : élimination d’harmoniques pour éviter les ondulations de couples dans les machines, minimisation des pertes dans les interrupteurs des onduleurs. Dans le cas des conceptions en régime transitoire dominent des critères de type automatique : rapidité, temps de réponse. Fixons les idées avec des exemples concrets concernant la machine asynchrone : le premier cas est illustré par les commandes à flux constant en boucle ouverte, et le deuxième par le contrôle vectoriel. Notons tout de suite qu’il est souvent très difficile de répondre parfaitement et simultanément aux deux types de critères.

Dans cet article, nous allons étudier les commandes conçues en régime permanent, c’est‐à‐dire la commande en pleine onde des onduleurs de tension et les commandes avec modulations prédéterminées présentées comme une extension et une amélioration de la commande précédente (élimination des harmoniques).

Les commandes conçues en régime transitoire et les commandes pouvant être utilisées aussi bien en régime permanent qu’en régime transitoire (régime intermédiaire) seront étudiées dans l’article Commande numérique- Régimes intermédiaires et transitoires de ce traité.