Application de la MLI Vectorielle aux Onduleurs Multiniveaux

La robustesse, le faible cout, et la facilité d’entretien font l’intérêt de l’utilisation du moteur asynchrone dans de nombreuses applications industrielles. Depuis plusieurs années, l’étude des performances des moteurs asynchrones alimentés par des onduleurs fait l’objet d’innombrable publication scientifique. Les possibilités de la variation de vitesse des machines à courant alternatif intéressent tous les domaines industriels et techniques. La réalisation de la variation de vitesse des machines à courant continu et la plus répandue, et constitue une solution fiable, souple et d’un rendement excellent. Des vitesses élevées ou des grandes puissances limitent l’application de la machine à courant continu, la solution des machines à courant alternatif à vitesse variable devient très intéressante. L’électronique de puissance connaît depuis longtemps un essor très important. A l’heure actuelle, cette discipline du génie électrique touche des domaines d’applications vastes et très divers pour des puissances couvrant une large gamme (quelque watt à plusieurs centaines de mégawatts). Les structures de conversion d’énergie, principales actrices de cette spécialité, commutent des puissances de plus en plus importantes. Cette demande croissante a été motivée par les avancées technologiques et l’augmentation des calibres en tension et en courant des semi-conducteurs commandés. Néanmoins, un niveau de puissance élevé implique soit une tension d’utilisation élevée, soit un fort courant d’utilisation, voire même les deux à la fois. Dans les trois cas, les composants de puissance utilisés possèdent des calibres plus conséquents. L’augmentation de la tension est souvent privilégiée pour remplir des objectifs de rendement, et les performances statiques et dynamiques des semi-conducteurs se dégradent souvent sous ces conditions de fonctionnement. De plus, malgré des avancées significatives, l’évolution des possibilités de ces derniers est lente à l’heure actuelle par rapport au marché de la demande, notamment au niveau des calibres en tension disponibles. L’apparition des structures de conversion multiniveaux depuis le début des années 1980 apporte des solutions par la mise en série de semi-conducteurs de puissance.

La robustesse, le faible cout, et la facilité d’entretien font l’intérêt de l’utilisation du moteur asynchrone dans de nombreuses applications industrielles. Depuis plusieurs années, l’étude des performances des moteurs asynchrones alimentés par des onduleurs fait l’objet d’innombrable publication scientifique. Les possibilités de la variation de vitesse des machines à courant alternatif intéressent tous les domaines industriels et techniques. La réalisation de la variation de vitesse des machines à courant continu et la plus répandue, et constitue une solution fiable, souple et d’un rendement excellent. Des vitesses élevées ou des grandes puissances limitent l’application de la machine à courant continu, la solution des machines à courant alternatif à vitesse variable devient très intéressante. L’électronique de puissance connaît depuis longtemps un essor très important. A l’heure actuelle, cette discipline du génie électrique touche des domaines d’application vastes et très divers pour des puissances couvrant une large gamme (quelques watt à plusieurs centaines de méga watt). Les structures de conversion d’énergie, principales actrices de cette spécialité, commutent des puissances de plus en plus importantes .

Modélisation de la machine asynchrone triphasée 

Hypothèses simplificatrices

La modélisation de la machine asynchrone est établie sous les hypothèses simplificatrices suivantes,

➤ Absence de saturation dans le circuit magnétique ;
➤ Entrefer constant;
➤ La constante des inductances propre ;
➤ Pertes ferromagnétiques négligeables ;

Application de la transformation de Park

La dynamique de la machine asynchrone est complexe à cause du couplage entre le stator et le rotor, surtout lorsque les coefficients de couplage varient avec la position du rotor. La connaissance et l’étude des comportements statiques et dynamiques d’un moteur asynchrone sont basées sur une modélisation mathématique appropriée à son comportement réel. Dans cette modélisation le moteur asynchrone triphasé réel est remplacé par une machine biphasée fictive, mais magnétiquement équivalente, grâce à la transformation de Park et certaines hypothèses.

Physiquement, l’application de la transformation de Park à la machine asynchrone correspond à une transformation des trois bobines, statoriques et rotoriques, à deux bobines équivalentes reprenant les mêmes considérations ou aspects, en termes de flux, de couple et de courant, [9].

Les résultats obtenus par simulation montrent bien la validité du modèle de Park, dans le référentiel lié au stator, pour visualiser les différentes caractéristiques de la machine asynchrone. La machine alimentée en tension est caractérisée par un démarrage rapide, le couple électromagnétique se stabilise après un régime transitoire caractérisé par quelques oscillations, ainsi que la vitesse qui atteint la valeur de synchronisme (charge nulle). Le modèle de Park nous a permis de connaître les différentes contraintes des grandeurs électriques qu’une machine asynchrone peut supportées pour l’associée à des onduleurs de tension triphasés .

La technologie de conversion de l’énergie continu-alternatif, en utilisant les convertisseurs statiques tel que les onduleurs de tension constituent une fonction incontournable de l’électronique de puissance en pleine croissance. Ils sont présents dans des domaines d’application les plus variés, dont le plus connu est sans doute celui de la variation de vitesse des machines à courants alternatif, utilité d’interconnexion, alimentation de sécurité…etc. La forte évolution de cette fonction s’est appuyée, d’une par, sur le développement de composants à semi-conducteur entièrement commandables, puissants, robuste et rapides, et d’autre par sur l’utilisation quasi-généralisée des techniques dites de modulation de largeur d’impulsion, [10]. Cela permet d’adapter pour chaque application la structure de l’onduleur et la stratégie de commande qui lui conviennent le mieux.

Malgré leurs nombreux avantages, les onduleurs conventionnels présentent certains inconvénients tels que :
➤ L’usage limité aux applications de faibles et de moyennes puissances seulement.
➤ La détérioration prématurée des roulements causés par l’apparition des tensions homopolaire à l’arbre du moteur.

Choix des semi-conducteurs

Les semi-conducteurs sont des matériaux solides utilisés pour la fabrication des composants électroniques. Le matériau semi-conducteur le plus utilisé est le silicium (Si). Autres matériaux semiconducteurs: germanium (Ge), arséniure de gallium (AsGa), phosphure d’indium (InP)…. Ils sont caractérisés par leur résistivité qui peut varier de 10⁻⁴ Ω.m à 10² Ω.m en fonction de la température (? diminue lorsque T augmente): ils se situent donc entre les conducteurs et les isolants. Les semi-conducteurs ont été découverts au XIXéme siècle mais leurs applications pratiques ont commencé en 1947 avec la découverte du transistor qui a remplacé les tubes à vide, encombrants, peu fiables et grands consommateurs d’énergie, [14]: Composant à semi-conducteurs : diodes à jonction, transistors bipolaires, transistors à effet de champ (JFET et MOSFET), composants de puissance (thyristors, GTO, triacs, IGBT…), circuits intégrés .

Intérêt des convertisseurs statiques multi niveaux

Un convertisseur statique est dit « multi niveaux » lorsqu’il génère une tension découpée de sortie composée d’au moins trois niveaux. Ce type de convertisseur présente essentiellement deux avantages. D’une part les structures multi niveaux permettent de limiter les contraintes en tension subies par les interrupteurs de puissance : chaque composant, lorsqu’il est à l’état bloqué, supporte une fraction d’autant plus faible de la pleine tension continu que le nombre de niveaux est élevé. D’autre part, la tension de sortie délivrée par les convertisseurs multi niveaux présente d’intéressantes qualités spectrales. Le fait de multiplier le nombre de niveaux intermédiaires permet de réduire l’amplitude de chaque front montant ou descendant de la tension de sortie. L’amplitude des raies harmoniques est, par conséquent, d’autant moins élevée, [16]. Dans le cas plus précis d’un fonctionnement en modulation de largeur d’impulsion, le recours à un convertisseur multiniveaux associé à une commande judicieuse des composants de puissance permet en outre de supprimer certaines familles de raies harmoniques .

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I: Modélisation de la machine asynchrone
I.1 Introduction
I.2 Modélisation de la machine asynchrone triphasée
I.2.1 Hypothèses simplificatrices
I.2.2 Modèle électrique
I.2.3 Modèle dynamique
I.3 Représentation mathématique des équations
I.3.1 Equations électriques
I.3.2 Equations magnétiques
I.4 Application de la transformation de Park
I.4.1 Equations magnétiques des enroulements triphasés dans les axes d et q
I.4.2 Expression du couple électromagnétique et de la puissance
I.4.3. Equation du mouvement
I.5 Choix du repère de référence
I.6 Modéle de la machine asynchrone dans le référenciel lié au stator (α, β)
I.7 Conclusion
Chapitre II: Etude des principales topologies des onduleurs multiniveaux
II.1 Introduction
II.2 Choix des semi-conducteurs
II.2.1 Le thyristor GTO
II.2.2 Le transistor IGBT
II.3 Etude de l’onduleur à deux niveaux
II.3.1 Définition de l’onduleur
II.3.2 Modélisation d’un onduleur à deux niveaux
II.3.2.1 Structure de l’onduleur à deux niveaux
II.3.2.2 configuration et fonctionnement d’un bras de l’onduleur à deux niveaux
II.3.3 Modèle de la commande de l’onduleur à deux niveaux
II.3.3.1 Fonctions de connexion
II.3.3.2 les potentiels des nœuds
II.3.3.3 tensions composées
II.3.3.4 les tensions simples
II.3.3.5 courant d’entrée
II.4 Intérêt des convertisseurs statiques multiniveaux
II.5 Description des principales topologies de la conversion multi niveaux
II.5.1 Onduleur multi niveaux à diode de bouclage
II.5.2 Onduleur multi niveaux à condensateurs flottants
II.5.3 Structure des convertisseurs à alimentation séparée (en cascade)
II.6 Propriétés des principales structures
II.6.1 Classification des topologies selon leur alimentation
II.6.2 Nombres de composants nécessaires
II.7 Conclusion
Chapitre III: Etude de l’onduleur à trois niveaux et le fonctionnement des onduleurs multiniveaux de type NPC
III.2.3.2 Commande complémentaire
III.2.4 Fonctions de connexion
III.2.5 Modélisation des valeurs instantanées
III.3 Onduleur à cinq niveaux de type NPC
III.3.1 Structure de l’onduleur à cinq niveaux
III.3.2 Différentes configurations d’un bras de l’onduleur NPC à sept niveaux
III.4 Onduleur à sept niveaux de type NPC
III.4.1 Structure de l’onduleur à sept niveaux
III.4.2 Différentes configurations d’un bras de l’onduleur NPC à sept niveaux
III.5 Conclusion
Chapitre IV : Les différentes stratégies de Commande des onduleurs de tension
IV.1 Introduction
IV.2 La commande en pleine onde (dite 180°)
IV.3 La modulation sinus-triangle
IV.3.1 Modulation sinusoïdale naturelle
IV.3.2 Modulation sinusoïdale à doubles triangles
IV.4 La modulation vectorielle
IV.4.1 Le principe de la modulation vectorielle
VI-5 Conclusion
Conclusion générale

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