Soutenance mémoire
Le progrès incessant des systèmes de commande des moteurs électriques est du essentiellement, d’une part, à la demande croissante des moteurs présentant des couples et des vitesses importantes et d’autre part, l’apparition et le développement des composants semi-conducteurs de puissance pouvant satisfaire ces exigences et présentant une fréquence de commutation élevée sous des tensions et des courants très importants.
Les progrès réalisés dans le domaine de la microinformatique (microcontrôleurs puissants et rapides) ont permis la synthèse d’algorithmes de contrôle des associations convertisseur-machine plus performants et plus robustes[1]. Les applications industrielles des entraînements à vitesse variable exigent des performances de plus en plus élevées, une fiabilité maximale et un coût minimum. Il est à noter que l’utilisation des convertisseurs statiques, est du au développement des semi-conducteurs de puissance commandé à l’allumage et au blocage tel que les MOSFETs, IGBTs, GTOs.
L’utilisation des onduleurs classique à deux niveaux dans le domaine des applications de forte puissance ne convient pas, car ces applications exigent des composants électroniques capables de supporter une forte tension inverse et un courant élevé[2]. L’amélioration de la forme de la tension de sortie des convertisseurs est un axe de recherche très actif, qui ne cesse de se développer. Le but de ces recherches est d’améliorer la qualité de la tension de sortie, ainsi on évite les problèmes liés aux onduleurs à deux niveaux. L’amélioration de la tension de sortie de l’onduleur peut être réalisée soit par modification du circuit de l’onduleur lui même (topologie), soit par le choix de la stratégie de sa commande. Plusieurs topologies des onduleurs sont proposées dans la littérature, telles que les onduleurs multiniveaux et les convertisseurs matriciels.
L’onduleur multiniveaux, permet de générer une tension de sortie à plusieurs niveaux de tension, en augmentant le nombre des interrupteurs composant l’onduleur, et en multipliant le nombre de sources continues à l’entrée, soit artificiellement par des condensateurs, soit réellement en utilisant des sources séparées[2].
Etude théorique des onduleurs multi-niveaux
Les convertisseurs multi-niveaux ont ouvert une porte pour les progrès dans la technologie de conversion d’énergie électrique dans les applications de haute puissance et aussi pour des conceptions de puissance moyenne et basse. Ces convertisseurs présentent une faible distorsion harmonique, et une plus grande efficacité par rapport aux convertisseurs conventionnels (à deux niveaux). En effet, l’apparition et le perfectionnement de nouveaux composants de puissance commandables à l’ouverture et à la fermeture tels que les GTO et IGBT, ont permis la conception de nouveaux convertisseurs fiables, rapides et puissants.
Les onduleurs de tension sont capables de transformer l’énergie d’une source à tension continue en une énergie à tension alternative (DC/AC). Ils sont présents dans tous les domaines d’applications, dont le plus connu est sans doute celui de la variation de vitesse des machines à courant alternatif. La forte évolution de cette fonction est due, d’une part, au développement des composants semi-conducteurs entièrement commandables, puissants, robustes et rapides, et d’autre part, sur l’utilisation quasi-généralisée des techniques dites de modulation de largeurs d’impulsions(MLI). Ainsi que les progrès réalisés dans le domaine de la micro informatique [15]. Malgré leurs avantages, les onduleurs conventionnels (à deux niveaux) présentent des limites liées d’une part à leur principe de fonctionnement, et d’autre part aux limites de la technologie de l’électronique de puissance utilisée dans ces convertisseurs. En effet, parmi les inconvénients de cette structure, on peut citer:
● Mauvaise qualité de la tension de sortie (taux de distorsion harmonique est élevé).
● Rayonnement électromagnétique important dû aux échelons de tension délivrés dont l’amplitude est égale à la totalité de la tension continue.
● Pertes par conduction dans les semi-conducteurs qui dépendent du courant de charge. Pertes par commutation qui dépendent de la fréquence de commutation ce qui provoque leur échauffement.
● Leurs utilisation est limitée aux applications de faibles et de moyennes puissances et basse tension seulement (1.4kV, 1MVA).
● La détérioration prématurée des roulements causée par l’apparition des tensions homopolaires à l’arbre du moteur.
Les limites technologiques sont dues principalement aux limites des semi-conducteurs utilisés actuellement. Leur tenue en tension (la tension maximale qu’ils peuvent bloquer) limite la tension de l’étage continu du convertisseur et le courant maximal qu’ils peuvent couper ce qui limite la puissance disponible.
Pour résoudre ces problèmes, il est nécessaire de modifier la topologie du convertisseur. Des solutions ont été proposées telles que la mise en parallèle des semi-conducteurs, en assurant une bonne distribution du courant, ou de leur mise en série, en assurant un bon partage de la tension à leurs bornes lors des commutations. Dans les deux cas, ces montages sont sensibles aux différences de caractéristiques d’un composant à l’autre et nécessitent une synchronisation très précise des impulsions de commande des semi-conducteurs. En effet, un convertisseur statique est dit « multi-niveaux » lorsqu’il génère une tension de sortie composée d’au moins trois niveaux.
Cette partie sera consacrée à la présentation des principales topologies d’onduleurs de tension multi-niveaux et leurs stratégies de commandes.
Définition
L’onduleur multi-niveaux possède trois ou plusieurs niveaux [17]. Le fonctionnement de ce type d’onduleur est basé sur l’idée de répartir les contraintes de tension (mise en série) ou de courants (mis en parallèle) sur les interrupteurs de puissance de façon à fournir en sortie des valeurs tensions/courants plus élevées.
L’onduleur de tension multi-niveaux permet de générer une tension de sortie à plusieurs niveaux de tension en forme d’escalier. Elle est obtenue par l’augmentation du nombre des interrupteurs composant l’onduleur, et par multiplication du nombre de sources continues à l’entrée, soit artificiellement par des condensateurs, soit réellement en utilisant des sources séparées [2] .
L’onduleur deux niveaux génère une tension de sortie pivotant entre deux valeurs (deux niveaux) tout en respectant la borne négative du condensateur , alors que l’onduleur trois niveaux génère trois tensions , et ainsi de suite pour l’onduleur N niveaux . En élevant le nombre de niveaux de l’onduleur, les tensions de sortie ont plusieurs niveaux induisant une forme d’onde de plus en plus proche d’une sinusoïde échantillonnée. Par conséquent, en comparant avec l’onde de la tension de sortie de l’onduleur deux niveaux, celles des onduleurs multi-niveaux ont un taux de distorsion plus réduit et donc une pollution harmonique minimale.
Topologies Principales D’onduleurs Multi-niveaux
Le concept de convertisseur multi-niveaux peut être mis en œuvre par différentes structures reposant sur les associations de semi- conducteurs de puissance et pour certaines topologies de leurs connexions en série. La caractéristique commune de celle-ci sera sa capacité à fournir une forme d’onde qui puisse prendre plusieurs niveaux à la sortie du convertisseur .
|
Table des matières
Introduction générale
Chapitre I Etude théorique des onduleurs multi-niveaux
I.1 Introduction
I.2 Définition
I.3 Topologies Principales D’onduleurs Multi-niveaux
I.3.1 Onduleur de tentions à diodes flottantes
I.3.2 Onduleur de tentions à condensateur flottants
I.3.3 Les Onduleurs Multi-niveaux en cascade
I.4 Avantages et inconvénients des onduleurs multi-niveaux
I.4.1 Avantages
I.4.2 Inconvénients
I.5 Conclusion
Chapitre II Différents types de commandes des onduleurs
II.1 Introduction
II.2 Commande en pleine onde
II.3 Objectifs de l’MLI
II.4 Différentes stratégies de commande par modulation de la largeur d’impulsion (MLI)
II.4.1 Commande par hystérésis
II.4.2 Commande par MLI sinusoïdale
II.4.3 Modulation vectorielle
II.5 Algorithmes de modulation de la largeur d’impulsion (MLI) vectorielle
II.5.1 Schémas de modulation
II.6 Conclusion
Chapitre III Commande par MLI vectorielle des différents onduleurs
III.1 Introduction
III.2 onduleur à deux niveaux
III.2.1 Vecteur de référence dans le repère stationnaire
III.2.2 Simulation numérique
III.2.3 Résultats de simulation
III.2.4 Interprétation des résultats
III.3 Onduleur à trois niveaux
III.3.1 Description de l’onduleur à trois niveaux
III.3.2 Fonctions de commutation de l’onduleur à trois niveaux
III.3.3 Etats d’un bras de l’onduleur à trois niveaux
III.3.4 Etats de l’onduleur
III.3.5 Tensions de sortie
III.3.6 Vecteur tension de référence
III.3.7 Calcul des temps de commutation pour chaque région
III.3.8 Simulation d’un moteur à cage alimenté par un onduleur à trois niveaux commandé par MLI Vectorielle (SVM)
III.3.9 Résultats de simulation
III.3.10Interprétation des résultats
III.4 Onduleur à cinq niveaux
III.4.1 Fonctions de commutation de l’onduleur à cinq niveaux
III.4.2 Etats d’un bras de l’onduleur à cinq niveaux
III.4.3 Tension de sortie
III.4.4 Création du vecteur tension de référence
III.4.5 Détermination des secteurs et régions
III.4.6 Calcul des temps de commutation pour chaque région
III.4.7 Simulation numérique
III.4.8 Résultats de simulation
III.4.9 Interprétation des résultats
III.5 Onduleur à sept niveaux
III.5.1 Structure de l’onduleur à sept niveaux
III.5.2 Fonctions de commutation de l’onduleur à sept niveaux
III.5.3 Etats d’un bras de l’onduleur à sept niveaux
III.5.4 Tension de sortie
III.5.5 Vecteurs de tension sortie et diagramme vectoriel
III.5.6 Vecteur tension de référence
III.5.7 Détermination des secteurs et régions
III.5.8 Calcul des temps de commutation pour chaque région
III.5.9 Simulation numérique
III.5.10Résultats de simulation
III.5.11Interprétation des résultats
III.6 Conclusion
Conclusion générale
