Conception du contrôle de systèmes d'électronique de puissance avec Simulink

Correction de facteur de puissance

Concevoir, régler et vérifier les algorithmes de correction de facteur de puissance à l'aide de la simulation

Le facteur de puissance d'un circuit de courant alternatif correspond au rapport entre la puissance réelle instantanée utilisée par une charge électrique et la puissance apparente présente dans le circuit. Il s'agit de la mesure de l'efficacité de transmission et d'utilisation de la puissance par les charges en présence sur un réseau électrique.

\[Power \; Factor = \frac{Real \; Power \; (kW)}{Apparent \; Power \; (kVA)}\]

Dans un circuit entièrement linéaire,

\[Power \; Factor = cosθ\]

où \(θ\) correspond à l'angle entre la puissance réelle et la puissance apparente dans le triangle vectoriel des puissances ci-après.

Triangle vectoriel des puissances.

Plus le facteur de puissance est proche de 1, plus l'utilisation de la puissance tirée du réseau est proche de son maximum. Un facteur de puissance faible indique la présence d'éléments inductifs ou capacitifs dans le circuit, entraînant un retard ou une avance du courant consommé sur la tension, puis respectivement une baisse de la puissance réelle instantanée disponible pour la charge et une consommation inutile d'intensité au niveau des câbles.

Profil de puissance moyenne pour les facteurs de puissance en avance et en retard.

Pour les circuits non linéaires, le facteur de puissance est affecté par un composant de distorsion créé par les harmoniques dans le courant de ligne.

\[Power \; Factor = cosθ * \frac{1} {\sqrt {1 + Total \; Harmonic \; Distortion^2}}\]

Par exemple, les charges telles que les systèmes d'alimentation à découpage sont couramment utilisés du fait des avantages qu'ils offrent en termes de taille, de coût et d'efficacité. Cependant, l'inconvénient d'un système d'alimentation à découpage sans correction de facteur de puissance est qu'il introduit ces harmoniques dans le courant de la charge du fait de la commutation de dispositifs à semi-conducteurs tels que les transistors à effet de champ à oxydes métalliques (MOSFET). Cela crée une augmentation de la distorsion harmonique totale du courant de la charge, faisant ainsi baisser la qualité de puissance.

Les ingénieurs utilisent différentes techniques pour améliorer la qualité de puissance de ces installations électriques. Des améliorations de facteur de puissance pour les charges linéaires peuvent être apportées par la compensation de la puissance réactive à fournir aux avances et aux retards de volt-ampère réactif. Cependant, les charges non linéaire générant des harmoniques nécessitent des techniques de correction de facteur de puissance telles que des filtres d'harmoniques actifs ou réglés pour atténuer ces harmoniques et améliorer la qualité de puissance. Ces techniques de correction de facteur de puissance s'appuient sur l'utilisation d'électronique de puissance, contrôlées à l'aide de contrôleurs analogiques ou numériques.

Le design numérique de correction de facteur de puissance avec Simulink® vous permet d'utiliser la simulation multi-cadences pour concevoir et régler les algorithmes de contrôle numérique. Vous pouvez ainsi adapter les formes d'ondes du courant d'entrée, ce qui permet de conserver un minimum de pertes tout en améliorant la qualité de puissance à une valeur souhaitée. Cette approche vous permet également de tester et vérifier les contrôleurs en présence de charges et de tensions d'entrée variables avant de déployer les algorithmes de contrôle sur le matériel.

Modèle Simulink de correction de facteur de puissance boost numériquement contrôlée.

Distorsion harmonique dans le courant de ligne (bleu) et après la correction de facteur de puissance (jaune).

En utilisant Simulink, vous pouvez :

  • créer des modèles de simulation précise de systèmes d'alimentation à découpage, de moteurs AC et d'autres charges dans un système de distribution
  • effectuer une analyse harmonique pour déterminer la distorsion harmonique totale présente à l'intérieur du circuit
  • dimensionner les composants passifs des convertisseurs d'énergie pour garantir l'obtention des caractéristiques de signal souhaitées, telles que l'ondulation de tension en sortie
  • concevoir des contrôleurs numériques pour ces convertisseurs d'énergie à l'aide de balayages AC et du réglage automatique de contrôleur PID
  • générer automatiquement du code ANSI C, ISO et C optimisé pour le processeur ainsi que du code HDL pour effectuer rapidement le prototypage et l'implémentation de production des contrôleurs

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