TOPOLOGIE MULTINIVEAUX NON-POLLUANTE À CELLULES EN U EMPILÉES

TOPOLOGIE MULTINIVEAUX NON-POLLUANTE À CELLULES EN U EMPILÉES

Histoire des composants de l’électronique de puissance

Les éléments semi-conducteurs utilisés dans la conversion électrique de puissance peuvent être classifiés dans deux grandes technologies, la technologie des transistors ou bien la technologie des éléments à commutation par tension (voltage switched technology) et la technologie des thyristors ou bien la technologie des éléments à commutation par courant (current switched technology).
Ainsi, on a vu apparaître la diode puis le thyristor classique aux alentours de l’année 1960. La technologie des transistors allait voir le jour vers la moitié des années 70. Avec l’avènement de la microélectronique, ces éléments ont été améliorés et on a vu naître ainsi le GTO et  l’IGBT basse tension. Dès lors les recherches ont été très pointues et on a vu naître l’IGCT et SGCT de la famille des thyristors et l’IGBT moyenne tension et l’IEGT de la famille des transistors.

Convertisseur proposé par Tou

Le convertisseur proposé par Tou, et al. (1995) est constitué  de :
• Redresseur triphasé à diodes.
• Un module actif de correction du facteur de puissance basé sur l’utilisation d’un hacheur survolteur dont l’interrupteur S est commandé à fréquence variable et fonctionne en mode discontinu.
• Un filtre passif d’entrée constitué de condensateurs connectés à chaque phase. Le fonctionnement du module actif consiste à transférer l’énergie des condensateurs d’entrée à l’inductance élévatrice Ldc. Ceci se produit lors de la fermeture de l’interrupteur S, et par conséquent, les condensateurs se déchargent en entrant en résonance avec Ldc . Dés le passage par zéro des tensions aux bornes des condensateurs, toutes les diodes du pont se mettent à  conduire. Lors de la fermeture de l’interrupteur S, toute l’énergie emmagasinée au niveau de l’inductance est transférée à la charge à travers la diode D. Lors du blocage de la diode, les condensateurs d’entrée se chargent à nouveau. Les courants de lignes sont filtrés respectivement par le biais des inductances d’entrée.

Convertisseur proposé par Salmon

Inspiré de la topologie présentée par Mohan, Salmon (1995) propose un convertisseur caractérisé par l’utilisation d’éléments de commutation bidirectionnels.Leur rôle majeur est d’éviter les discontinuités des courants de lignes. L’interrupteur Sa conduit  pendant 60 degrés : 30° avant le passage de la tension e1 par zéro, et 30° après. Parmi les avantages de cette topologie, citons que les courants de lignes présentent un contenu harmonique faible. Tandis que l’inconvénient majeur est l’utilisation d’un nombre élevé d’éléments de commutation. Et c’est pour parer à ce problème que Daniel, et al. (1997) a proposé une nouvelle topologie.

Convertisseurs avec onduleurs monophasés en cascade

Le principe de la topologie à onduleurs monophasés en cascade est basé sur la mise en cascade de plusieurs onduleurs monophasés générant chacun trois niveaux de tension Manjrekar, et al. (2000). Si k est le nombre d’onduleurs utilisés par phase, le convertisseur est alors à 2k+1 niveaux.
On remarque que pour le même nombre d’interrupteurs et sans diodes de calage ni capacités, la topologie avec onduleurs en cascade permet d’atteindre un nombre de niveaux de tensions plus élevé. En effet, si on obtient avec les deux premières topologies m niveaux, la présente topologie permet d’atteindre (2m-1) niveaux soit (m-1) niveaux supplémentaires avec moins de composants. Ceci permet d’avoir un taux d’harmonique très faible avec moins d’encombrement lors du packaging.

Convertisseur VIENNA

Chaque bras du convertisseur VIENNA comme présenté par Youssef, et al. (2008), Kolar et Zach (1997), Rodriguez, et al. (2002), Ide, et al. (2000) et Qiao et Smedley (2000) est composé de deux diodes et d’un interrupteur bidirectionnel en courant . Si T1 conduit et i1 est positif, alors le courant i2 est égal à i1 vue que D1, T1 et D4 sont conducteurs. Par contre, si i1 est négatif, alors D3, T1 et D2 sont conducteurs et donc i2 est égal à -i1. Ceci dans le cas où l’interrupteur T1 est conducteur. Cependant, si T1 est bloqué, alors i2 est nul. Si i1 est positif, alors D1 et D5 sont conductrices et donc i3 est égal à i1. Par contre si i1 est négatif, alors D3 et D6 sont conductrices et donc i4 est égal à i1.
Ce convertisseur permet d’atteindre de bons taux de distorsion d’harmoniques, cependant, il présente l’inconvénient d’utiliser un nombre élevé d’interrupteurs.

Présentation de la topologie de conversion multiniveaux à cellules en U empilées (PUC)

La topologie PUC, Ounejjar et Al-Haddad (2008), est subdivisée en plusieurs convertisseurs multiniveaux suivant le nombre de niveaux de tension atteignable. Le terme sans transformateurs (transformerless) indique que ce convertisseur n’a pas besoin de transformateurs pour générer et isoler les tensions continues des bus DC. En effet dans les onduleurs multiniveaux, les sources DC doivent être isolées ce qui mène à l’utilisation de transformateurs. La topologie PUC permet d’éviter ce problème vu que ces tensions DC peuvent être interconnectées et donc régulées aux valeurs désirées.

Convertisseur PUC à sept niveaux

Fonctionnement et modes opératoires
Le convertisseur PUC à sept niveaux est constitué de six interrupteurs .
Chaque interrupteur ne peut avoir que deux états, à savoir un état où il est bloqué et un autre où il saturé, ce qui permet d’atteindre (23) huit états dont deux redondants.
Modulation proposée
En subdivisant la sinusoïde désirée en six parties, trois positives et trois négatives, et en utilisant la modulation sept niveaux on peut générer six signaux. Nous faisant en sorte que quelques signaux issus de l’alternance positive prennent la valeur 1 ou 2 et de même pour l’alternance négative prennent la valeur -1 ou -2. Les autres signaux auront la valeur 0 ou 1 pour l’alternance positive et -1 ou 0 pour l’alternance négative .
La somme de ces signaux résulte sur un signal unique qu’on notera avec la lettre S. Ce signal est constitué de huit niveaux qui correspondent à ceux désirés pour la tension de sortie. Il est à noter qu’il y a deux niveaux (2 et -2) qui sont redondant et réfèrent le niveau de tension nul. Après la génération de ce signal S, les impulsions des gâchettes sont obtenues à travers une table de commutation.
Mise en œuvre de l’onduleur PUC sans transformateurs à sept niveaux
La tension d’entrée V1 est générée à partir du réseau de distribution à travers un redresseur à diodes en pont . La tension du bus auxiliaire V2 doit être régulée au tiers de V1 afin de générer une tension alternative à sept niveaux. Afin d’assurer un courant sinusoïdale et un facteur de puissance unitaire, une tension unitaire est extraite de la tension de source.
L’amplitude du courant est générée à travers une régulation PI de la tension V2.

Comparaison de la topologie PUC avec la topologie à point neutre callé par des diodes (NPC) et la topologie à capacités flottantes (FC)

La topologie NPC présente plus d’inconvénients que la topologie FC notamment concernant les diodes additionnelles de calage. Par conséquent, l’étude se contentera à la comparaison avec la topologie FC.
Dans un convertisseur FC , la tension nulle ne peut être produite que par la soustraction de la tension de la capacité flottante et de la moitié de la tension du bus DC. Ceci crée une dépendance entre la tension des capacités flottantes et celle du bus DC. Cette dépendance peut être évitée en ajoutant deux interrupteurs afin d’assurer la séquence nulle, ce qui amène à la topologie proposée. Par exemple, à partir du convertisseur FC à trois niveaux, l’ajout de deux interrupteurs résulte sur le convertisseur PUC à sept niveaux.
Afin de générer sept niveaux, la topologie FC nécessite douze interrupteurs et six capacités alors que la topologie PUC n’en demande que six interrupteurs et deux capacités, ce qui résulte sur une réduction du coût de 200% pour les composants passifs et de 100% pour les composants actifs.
Un autre gain réside dans la réduction de la taille physique du convertisseur, ce qui permet de concevoir des unités de conversions très compactes optimisant l’espace de l’installation.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 HISTORIQUE DES CONVERTISSEURS STATIQUES NON-POLLUANTS ET REVUE BIBLIOGRAPHIQUE
1.1 Histoire des composants de l’électronique de puissance 
1.2 Générations de convertisseurs statiques non-polluants 
1.2.1 Première génération
1.2.1.1 Convertisseur proposé par Bird
1.2.1.2 Convertisseur proposé par Ametani
1.2.2 Deuxième génération
1.2.2.1 Convertisseur proposé par Dixon
1.2.2.2 Convertisseur proposé par Tou
1.2.2.3 Convertisseur proposé par Mohan
1.2.2.4 Convertisseur proposé par Kim
1.2.2.5 Convertisseur proposé par Salmon
1.2.2.6 Convertisseur proposé par Daniel
1.2.3 Troisième génération
1.2.3.1 Convertisseurs à point neutre callé par des diodes
1.2.3.2 Convertisseurs à capacités flottantes
1.2.3.3 Convertisseurs avec onduleurs monophasés en cascade
1.2.3.4 Convertisseur VIENNA
1.3 Conclusion 
CHAPITRE 2 CONVERTISSEUR MULTINIVEAUX À POINT NEUTRE CALLÉ PAR DES DIODES
2.1 Modélisation du convertisseur NPC 
2.2 Résultats de simulation 
2.2.1 Convertisseur à quatre niveaux
2.2.2 Convertisseur à cinq niveaux
2.3 Limites et handicapes du convertisseur NPC 
CHAPITRE 3 TOPOLOGIE MULTINIVEAUX NON-POLLUANTE À CELLULES EN U EMPILÉES
3.1 Présentation de la topologie de conversion multiniveaux à cellules en U
3.2 Convertisseur PUC à sept niveaux 
3.2.1 Fonctionnement et modes opératoires
3.2.2 Modulation proposée
3.2.3 Mise en œuvre de l’onduleur PUC sans transformateurs à sept niveaux
3.2.3.1 Résultats de simulation
3.2.3.2 Validation expérimentale de l’onduleur PUC
3.3 Convertisseur PUC à quinze niveaux
3.3.1 Fonctionnement et modes opératoires
3.3.2 Résultats de simulation
3.4 Conclusion
CHAPITRE 4 ÉTUDE COMPARATIVE DE LA TOPOLOGIE PUC AVEC D’AUTRES TOPOLOGIES MULTINIVEAUX
4.1 Comparaison de la topologie PUC avec la topologie à point neutre callé par des diodes (NPC) et la topologie à capacités flottantes (FC)
4.2 Comparaison de la topologie PUC avec la topologie à onduleurs en cascade
4.3 Comparaison avec des topologies proposées dans des brevets américains d’invention (US Patents)
4.4 Conclusion
CHAPITRE 5 COMMANDE BASÉE SUR LA MODÉLISATION MOYENNE DES REDRESSEURS DE LA TOPOLOGIE PUC
5.1 Redresseur PUC à sept niveaux
5.1.1 Modélisation moyenne
5.1.2 Résultats de simulation
5.1.3 Validation expérimentale des résultats de simulation
5.2 Redresseur PUC à quinze niveaux
5.2.1 Modélisation moyenne
5.2.2 Résultats de simulation
5.3 Conclusion
CHAPITRE 6 COMMANDE DES CONVERTISSEURS DE LA TOPOLOGIE PUC BASÉE SUR LA TECHNIQUE D’HYSTÉRÉSIS MULTIBANDES
6.1 Convertisseur à sept niveaux
6.1.1 Fonctionnement en onduleur
6.1.2 Fonctionnement en redresseur
6.1.2.1 Présentation de la technique à hystérésis proposée
6.1.2.2 Résultats de simulation
6.2 Convertisseur à quinze niveaux
6.2.1 Fonctionnement en onduleur sans transformateurs
6.2.2 Fonctionnement en redresseur
6.3 Conclusion
CHAPITRE 7 NOUVEAU CONVERTISSEUR MULTINIVEAUX TRIPHASÉ BASÉ SUR LA COMBINAISON DES TOPOLOGIES PUC ET NPC
7.1 Opérations du convertisseur proposé
7.2 Modélisation et commande du convertisseur proposé
7.3 Résultats de simulation
7.4 Conclusion
CONCLUSIONS ET RECOMMANDATIONS

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