Etude du transistor MOSFET

1  Introduction

          Le transistor MOSFET ("Métal Oxyde Semi-conducteur Field Effet Transistor") appelé également MOST ou simplement MOS ressemble, par son principe de fonctionnement, au JFET. Dans ce type de transistor, la grille ne forme pas une jonction avec le canal drain-source (comme dans le cas du JFET) mais est isolée de celui-ci par un dépôt d'oxyde de silicium.

          Deux structures sont envisageables (Fig.I.5), l'une se rapproche de celle du JFET (Fig.5.a), on parle alors de MOS à appauvrissement. L'autre structure diffère quelque peu de celle du JFET (Fig.I.5.b), on parle dans ce cas de MOS à enrichissement. Les deux structures ci-dessous peuvent, bien entendu, être réalisées en canal N ou P ce qui donne quatre types de MOS [9].

Comparaison entre le transistor bipolaire et le MOSFET

Transistor bipolaire	Transistor MOSFET
- Accumulation de charge dans la base et le collecteur. - Vitesse de commutation moyenne. - Coefficient de température du courant de collecteur (IC) positive. - Impédance d'entrée faible. - Temps de stockage de 1÷2 µs. - Difficulté de la mise en parallèle. - Pertes en commutation élevée. - coût de composant réduit. -  commande par une source de courant.	- Pas d'effet d'accumulation de charge. - Vitesse de commutation élevée. - coefficient de (ID) négative. - Fort impédance d'entrée. - Temps de stockage nul. - Facilité de la mise en parallèle. - Pertes en commutation faible. - coût de composant élevée. - commande par une source de tension.

  

Tableau  . Comparaison entre le transistor bipolaire et le transistor MOSFET.

Choix des commutateurs de puissance

          La réalisation d'un circuit de l'électronique de puissance consiste à un choix préalable des interrupteurs de puissance, pouvant supporter la commutation forcée et rapide, et la réversibilité du courant et de la tension, ce choix conduit à étudier plusieurs types de composants électronique, qui peuvent être utilisés dans le cas qui nous intéresse.

            En outre, les interrupteurs considérés devront être commandés à l'ouverture et à la fermeture de manière à pouvoir assurer la commutation forcée, c'est-à-dire des interrupteurs bicommandables.

Le choix des interrupteurs désirés dans notre cas est basé sur les conditions suivantes [5] :

-          L'interrupteur doit avoir une tenue en tension symétrique.

-          Il doit être bidirectionnel en courant.

-          Il doit être commandable à l'ouverture et à la fermeture par une électrode spécifique.

1-Propriétés générales des commutateurs de puissance

Les indices de performance d'un hacheur alternatif

Etant donné que la tension de sortie, le courant de charge et le courant de source d'un hacheur alternatif ne sont pas purement sinusoïdaux. Les indices de performances qui permettent d'évaluer les différentes stratégies de commande de ce convertisseur statique sont les suivants:

a)      Le facteur de puissance

          C'est le rapport entre la puissance active absorbée par la charge et la puissance totale débitée par la source d'alimentation. Ce paramètre est donné par la formule :

b)      Le taux de distorsion harmonique globale de la tension de sortie

          C'est la mesure de degré de ressemblance entre le fondamental et l'onde produit à la sortie du hacheur. Ce paramètre est exprimé par la relation suivante :

c)      Facteur d'harmonique

          Le facteur d'harmonique est défini comme le rapport de l'amplitude de l'harmonique d'ordre  n  et l'amplitude du terme fondamental. Il exprime donc la contribution de chaque harmonique dans la tension de sortie. Ce facteur est donné par la formule suivante :

d)      Le facteur de distorsion à la source

          Ce paramètre est défini comme le rapport entre la valeur efficace du fondamental du courant de source et celle du courant total de source :

e)      Le facteur de déplacement à la source

Il est donné par la formule suivante :

Où Φ est l'angle de déphasage de la composante fondamentale du courant de source par rapport à la tension d'alimentation.

Avantages du passage de la structure gradateur à la structure hacheur alternatif

Pour voir les avantages de la structure hacheur alternatif, on va déterminer le facteur de puissance FP. En effet FP prend en compte simultanément la consommation de l'énergie réactive et la génération des courants harmoniques.

On détermine le facteur de puissance dans le cas fréquent pour une charge (R, L) :

Avec :

P: la puissance fournie à la charge.

S: la puissance apparente.

Avec :

I_L et I_S : les valeurs efficaces des courants de la charge et de la source respectivement.

V_S : la valeur efficace de la tension de source.

On pose :

P₀, I_L0: la puissance et le courant obtenus à pleine charge (k₁ toujours fermé).

On peut écrire :

Dans le cas d'un gradateur classique à thyristors, le facteur de puissance est de la forme suivante:

Cette forme reste la même, quelle que soit la stratégie de commande retenue, on peut voir pour ce dernier qu'il y à aussi une augmentation du taux global de distorsion harmonique (THD). La réduction de la puissance fournie au récepteur s'accompagne d'une dégradation du facteur de puissance à l'entrée du convertisseur.

          En revanche, dans le cas du hacheur alternatif, c'est la réduction du courant fourni par la source qui explique l'amélioration du facteur de puissance, cette amélioration est liée directement au fonctionnement de l'interrupteur de roue libre k₂.

Les hacheurs alternatifs

1  Introduction

          Habituellement dans l'électronique de puissance, le réglage de la puissance fournie à un récepteurs de courant alternatif se fait avec le gradateurs à thyristors, cette structure permet seulement la commande spontanée, c'est-à-dire les thyristors se bloquent spontanément au passage par zéro du courant, mais cette structure ne permet pas l'utilisation de la commande PWM, elle entraîne la consommation de l'énergie réactive et la génération des courants harmoniques basse fréquence, pour éviter ces inconvénients on utilise une autre structure, cette structure est appelée le hacheur alternatif qui fait la même conversion AC-AC [3].

  

          Dans ce chapitre, nous allons étudier  le hacheur alternatif monophasé, ainsi que les interrupteurs utilisés pour cette architecture.

2  Le hacheur alternatif

          Le hacheur alternatif est un convertisseur électronique de puissance qui fait la conversion alernative-alternative avec la commutation forcée. Ce convertisseur fait la variation et le réglage du débit du courant alternatif vers un récepteur de courant alternatif.

Dimensionnement des encoches

Le choix du type d’encoches pour une machine dépend:

·         de la tension de service.

·         de la puissance.

·         du type de bobinage.

Le stator des petites et moyennes machines, à basse tension, est exécuté avec des encoches trapézoïdales semi-ouvertes c’est le cas de notre machine 2,2 kW. Le choix de ce type d’encoches est d’assurer une meilleure insertion des conducteurs et obtenir un meilleur coefficient de remplissage de l’encoche. puisque lors de la mise en encoche des enroulements, les conducteurs n’occupent pas tout l’espace qui leur ai réservé. Le rapport de surface des conducteurs et d’encoches est appelé coefficient de remplissage. Ce rapport varie selon la capacité des ouvriers spécialisés dans la mise en place du bobinage. Il peut être, dans les meilleures conditions égal à 0.7 pour des machines de faibles puissances.

Schémas équivalents par phase de la machine asynchrone

La littérature technique traitant des moteurs asynchrones propose une multitude de schémas équivalents. Si les auteurs n'utilisent pas le même schéma, et c'est naturel, tous calculent une impédance équivalente vue du stator, [3,16].

·         Schéma  par phase réaliste de la machine asynchrone

Dans ce type de schéma les circuits primaire et secondaire sont couplés grâce au flux d'induction

Modélisation de la machine asynchrone

La modélisation des machines électriques est une phase primordiale pour l'élaboration des lois de commande. En effet, aborder la commande des machines électriques nécessite l'emploi d'une méthode de modélisation adaptée à la commande. Il s'agit d'une application simple des méthodes de modélisation modernes de la machine asynchrone, qui présentent des spécificités propres, qui ne sont pas nécessairement communes à d'autres processus physiques. Il est donc évident que cette étape de modélisation soit un passage obligé pour concevoir des systèmes de commande performants et adaptés aux variateurs de vitesse. De nos jours, de nombreuses publications et ouvrages spécialisés présentent ces techniques de modélisation, [3].

1.1           Hypothèses simplificatrices

CALCUL DES REGULATEURS

I_dr contrôlé contrôle implicite  du flux.

I_qr contrôlé contrôle implicite du couple.

1. Régulateur de I_dr :

LES REGULATEURS PI

Dans le présent paragraphe, nous allons décrire les différents types des contrôleurs dans l’industrie. 

a- signal de commande:

Soit Y_c(t) le signal de consigne à poursuivre, Y(t) le signal du système à contrôler comme il est illustré par la figure (3-3). L’élaboration du U(t) exige que l’on définisse la loi qui relie U(t) et  e(t) appelé loi de commande.

L’erreur e(t) = Y_c(t) – Y(t) est évaluée en permanence par observation continuelle de la sortie Y(t) « résultat réellement atteint ».

Le signal de commande U(t) est alors ajusté en permanence de manière automatique par l’élément correcteur, afin de corriger l’erreur.

b- la conception des contrôleurs :

Le contrôleur élabore le signal de commande U(t), il fait ,en général ,à partir de l’erreur e(t) . La loi la plus utilisée en analogique est la commande P.I.D or dans le cas de notre étude, on se limite à la technique du contrôleur de type P.I, qui satisfait avec succès la régulation en commande vectorielle de vue « stabilité, précision, rapidité » dont la formule qui le définisse est :

·         Stabilité :

Un système bouclé doit être stable, ceci exige que la réaction du système de régulation soit énergétique sans être disproportionnées avec l’erreur corrigée. Une correction très forte ou trop tardive risque de conduire le système à dépasser largement le but qu’il poursuit et donc à revenir en cherchant à le rattraper. S’il n’y parvient pas le système est instable.

·         Précision :

En régulation, la précision est obtenue par l’implantation dans la boucle.

·         Rapidité :

En règle générale, un système bouclé doit répondre rapidement aux variations de sa consigne et effacer rapidement les perturbations « régulation ».

Le temps de réaction est bien entendu en relation étroite avec l’inertie propre du processus. Tout les régulateurs, qui seront utilisés dans le présent travail, seront de type proportionnel intégrale  (PI) dont la forme est la suivante : G_pi(S)=K_p+K_i/S .

        Avec :

                    K_p : Coefficient de proportionnalité.

                    K_i : Coefficient de d’intégration.

L’ajustement des coefficients K_p et K _i  étant effectué par simulation numérique.

c-   Régulation :

Deux régulations de type PI sont utilisés pour régler les courants I_dr et I_qr ,une troisième régulation est éventuellement envisagée pour la régulation de vitesse.

Les termes (V_d-cp ;V_q-cp ) comme l’indique la figure (3-4) représentant la force électromotrice de compensation que l’on doit ajouter à la sortie de chaque régulateur et (V_d-cor ;V_q-cor). Ces  F.e.m de compensation permettent en outre de découpler la régulation du courant I_dr et I_qr .

              D’après le système d’équations (3-7) et (3-8) on aura donc :

La pulsation rotorique de rotation du flux statorique _s est calculée en additionnant la pulsation électrique du stator W_s et la pulsation de glissement W.

LA COMMANDE VECTORIELLE DIRECTE ET INDIRECTE

Dans la commande vectorielle directe on effectue une régulation du flux qui nécessite la connaissance de celui-ci, alors que dans la commande vectorielle indirecte, on s’affranchit de la connaissance de ce flux en faisant quelque approximation.[12]

1. Commande vectorielle directe :

Cette méthode nécessite une bonne connaissance du module du flux et sa phase ; celle–ci doit être vérifiée quelque soit le régime transitoire effectué. Il faut donc procéder à une série de mesures disponibles au sein du processus.

 Ce mode de contrôle est ainsi appelé parce qu’une régulation du flux statorique s est introduite par une boucle de contre  réaction nécessitant la mesure ou l’estimation de ces variations. Dans son essence, la commande vectorielle directe doit être réalisée par la

mesure du flux qui nécessite l’utilisation du capteur placé dans l’entrefer de la machine, opération généralement délicate à réaliser.

INTRODUCTION SUR LA COMMANDE VECTORIELLE PAR ORIENTATION DU FLUX STATORIQUE

1. description :

La machine asynchrone est un système  multi variable régi par des équations différentielles. L’utilisation de la transformation de PARK par le changement des repères, sous certaines hypothèses, permet de simplifier ces équations, donc une meilleure  compréhension du comportement physique de la machine.[11]

L’examen de l’expression du couple de la machine asynchrone montre qu’elle résulte d’une différence deux composantes en quadratures de flux rotorique et statorique qui présente un couplage complexe entre les grandeur de la machine. Le référentielle de travail pour la commande est celui lié au champ tournant afin que l’axe «d» coïncide avec la direction désirée de flux, qui peut être rotorique, statorique d’entrefer.  Ainsi il est possible devient les différents flux de la machine.

Dans notre travail nous nous intéressons à l’orientation de flux statoriques.

                      

MODELLISATION ET SIMULATION DE LA MADA

INTRODUCTION

La modélisation de la machine électrique est une phase primordiale de son développement, les progrès de l’informatique et du génie des logiciels permettent de réaliser des modélisations performantes et  d’envisages l’optimisation des machines électriques.

Ainsi la modélisation permet de guider les développements par une quantification des phénomènes. En outre elle est d’un apport précieux en permettant d’une part de restituer une image de ce que l’on peut observer expérimentalement et d’autre part de prévoir des comportements de la machine plus varient que ceux de l’observation expérimentale.

               Pour obtenir le modèle d’un système ; trois taches doivent être accomplies : choisir le modèle, déterminer ses paramètres et enfin vérifier sa validité.

1.  MODELE MATHEMATIQUE DE LA MADA

Mathématiquement, les machines électriques sont représentées  par des modèles entres/sorties sous forme de fonction de transfert ou encore sous forme standard d’équations en variable d’état. Ce modèle mathématique à pour but de simplifier l’étude de la machine, il est basé sur la transformation des enroulements de la machine originale en des enroulements équivalents du point de vue électrique et magnétique disposés selon des axes fictifs. Cette transformation à pour effet de rendre les inductances propres et mutuelles du modèle indépendantes de la rotation.

1.1. Hypothèses de  simplification :

Pour simplifier l’étude de la machine asynchrone  idéalisée, on considère  les hypothèses simplificatrices suivantes :

           ►  La parfaite symétrie de la machine tant magnétique qu’électrique.

           ►  Les forces magnétomotrices créent par chaque phase du stator ou rotor ont une                    

                 répartition sinusoïdale.

           ► L’effet de la variation de la température sur les résistances statorique et rotorique      

                 est négligeable.  

           ► On néglige l’effet de peau.

           ► L’entrefer est constant.

           ► Le circuit magnétique non saturé et perméabilité constant.

           ► Les pertes ferromagnétiques négligeables.

La machine asynchrone à double alimentation doit être représentée dons le système triphasé par la figure (2-1)

1.2. Equations électriques :

Dans les conditions précédentes les équations sous forme matricielle s’écrivent :

Pour le stator :

1.3. Equations  magnétiques :

     

Chaque flux comporte une interaction avec les courants de toutes les phases y compris la sienne.

 

METHODES DE VARIATION DE LA VITESSE DE ROTATION

La variation de la vitesse des moteurs asynchrones est assez difficile mais  avec l’apparition de l’électronique de puissance, celle-ci est devenue plus facile.

Les méthodes de variation de la vitesse agissant sur :

                              ►    Le stator

                              ►    Le rotor

1. Côté stator :

1.a. Par modification du nombre de paires de pôles P :

En utilisant la relation (w/p) , on modifie le nombre de paires de pôles P par commutation sans modifier l’implantation des bobinages , la commutation du nombres de paires de pôles du stator peut être  assurée de la façon suivant :

► monter dans  le stator un seul enroulement et changer le nombre de paires de pôles par commutation correspondante des parties de cet  enroulement.

► monter dans le stator deux enroulement indépendant  l’un de l’autre.

► monter dans le stator deux enroulements avec commutation du nombre de pôles de chacun d’eux.

Si le rotor est à cage, en se  limite à une division ou à une multiplication par la vitesse, si les moteur est à rotor bobiné, il faut changer le nombre de paire de pôle simultanément dans le stator et dans rotor, ce qui rend la construction du rotor compliquée. Cette méthode n’ pas beaucoup d’intérêt, car  la variation est brusque.

1.b. Changement de la tension applique au moteur :

On sait que le couple est proportionnel au carré de la tension, ceci implique une variation de la vitesse, cette dernière par variation de la tension primaire a une importance secondaire car elle ne permet pas d’assurer le réglage dans de large plage et puis elle n’est pas économique.

1.c. Changement de la fréquence du réseau :

         Quelque soit la charge, la vitesse d’un moteur dépend fortement de la fréquence du réseau d’alimentation. On distingue deux méthodes d’action sur fréquence :

       

             ► Variation de la fréquence à tension fixe : La diminution du flux et la saturation des machines électriques sont des problèmes liés aux variations de la fréquence. Lorsque la fréquence f_s augmente, le flux diminue et entraîne une diminution du couple maximale. Cette technique est utilisée dans des régimes des sur vitesses.

             ► Variation de fréquence à V/f_s constante : Dans les régimes des sous vitesses il faut maintenir le flux constant pour cette raison on utilise la loi à V/f_s . Ce mode de variation de vitesse n’est possible que lorsque le moteur est alimenté par une installation spéciale.

2. Côté rotor :

2.a. Variation de vitesse par variation des résistances rotoriques :

L’insertion d’un rhéostat au circuit rotorique nous permet de varier la résistance rotorique. Ceci entraîne une variation de vitesse cette variation est possible lorsqu’il s’agit des moteurs à bagues

2.b. Les cascades :

Avec un moteur à rotor bobiné, on a la possibilité de faire varier le glissement en modifiant résistance rotorique, si l’on utilise pour cela un rhéostat, on dissipe en pur perte de l’énergie active et on abaisse d’une façon inacceptable le rendement, pour que le procédé soit viable il faut faire appel à une circuit actif  qui permet la récupération de l’énergie correspondante en la réinjectant dans le réseau. C’est sur ce principe qu’étaient réalisés les systèmes de machines tournantes utilisées dans la passée, l’énergie récupérée est envoyé :

             ► Sur le rotor du moteur asynchrone à rotor bobiné par l’intermédiaire d’un                      moteur à courant continu (récupération mécanique). Fig (1-4)

             ► Au réseau à l’aide d‘un convertisseur  de fréquence ; (cascade hyposynchrone ou système de KRAMER) fig (1-5).

CONCLUSION

Dans ce chapitre un aperçu général sur les machines électriques et leurs applications ont été donnés ainsi que les différents types de fonctionnement. De même que le principe et les régimes de fonctionnement de cette dernière ont été présentés.

La modélisation et la simulation de la MADA seront l’objet du chapitre suivant.

REGIMES DE FONCTIONNEMENT DE LA MADA

Dans  le moteur à double alimentation, l’enroulement rotorique est couplé à une source de tension à fréquence variable .En fonction du type de régulation de fréquence, on distingue deux régimes fonctionnement : synchrone et asynchrone.

1. Régime de fonctionnement synchrone :

             Pour ce régime, la fréquence du glissement est donnée indépendamment de la vitesse angulaire .alors à chaque signal de commande correspondent une fréquence déterminée f_r et une vitesse de fonctionnement w_r qui ne dépend pas de la charge .en faisant varier la fréquence f_r, on peut varier la vitesse .En régime synchrone, le moteur à double alimentation fonctionne comme une machine synchrone .Dans ce régime, on peut réguler la vitesse. Cependant il est difficile de maintenir la stabilité du régime pour des variations rapides de vitesse, de charge brusque, etc…     

2. Régime de fonctionnement asynchrone :

Pour ce régime de fonctionnement, la fréquence de la tension du réseau appliquée à l’enroulement rotorique de la machine à travers un système de régulation est toujours maintenue égale à la fréquence du glissement f_s g . Dans ce cas, on ne régule que la valeur et la phase de la tension du réseau.

Le moteur à double alimentation fonctionne toujours comme un moteur asynchrone (même pour w_r = w_so ) ; c’est à dire que le glissement du moteur varie la variation de la charge.

Dans la machine à double alimentation, il y a toujours deux sources de même fréquence v dans les enroulements rotoriques f_s g :

         ►  La f.e.m du rotor E_2cc g (f.e.m de court circuit).

         ►  La tension externe d’alimentation du coté rotorique U_r .

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DES MOTEURS DOUBLE ALIMENTES

Pour le fonctionnement  de la machine en régime établi, il est nécessaire que les vecteurs forces magnétomotrices (Fmms) du stator et du rotor soient immobiles dans l’espace l’un par rapport à l’autre. Du moment que le vecteur résultant de la F.m.m de l’enroulement statorique tourne dans l’espace avec une vitesse angulaire, et que le rotor tourne à la vitesse w_r, par conséquent, pour satisfaire à cette condition, il faut que le vecteur F.m.m de l’enroulement rotorique tourne par rapport au rotor avec la vitesse :

                                          w_g =w_os –w_r =w_os –w_os(1-g)=w_os g                                         (1-1)

C’est à dire proportionnellement qu glissement g ; si la vitesse du moteur est inférieure à la vitesse synchronisme , les sens de rotation sont identiques ; dans le cas contraire ,quand la vitesse est supérieure à celle du synchronisme , les sens seront opposés .

Pour que la rotation du vecteur Fmm par rapport au rotor se réalise, le courant dans l’enroulement doit avoir une fréquence f_r, définie à  partir de w_os g = 2πf_r ; c’est à dire :   

                                          f_r =f_s g                                                                                     (1-2)              

              Dans les machines synchrones dont l’excitation est assurée par une source continue, le courant dans l’enroulement possède une fréquence f_r =0 .A partir de    (1-1) et (1-2), on voit qu’il n’ y a qu’une seule vitesse synchrone w_os ,(g=0).