Utilisation des Nouvelles Topologies et Techniques de Commandes

Principe de fonctionnement de l’onduleur triphasé

       Les onduleurs sont des convertisseurs statiques permettant la conversion de l’énergie de la forme continue à la forme alternative. Ils Sont «statiques» car ils ne font intervenir aucun mouvement mécanique (contrairement aux moteurs) [2]. La figure (1.1) donne la topologie de l’onduleur de tension triphasé. Il est placé entre une source de tension continue supposée parfaite, de tension E constante, et une source de courant alternatif triphasé supposée elle aussi parfaite, donc les courants des phases ia, ib et ic forment un système triphasé sinusoïdal équilibré. L’onduleur triphasé est l’assemblage de trois demis ponts monophasés chacun est formé de deux « interrupteurs » en série, (Ka1, Ka2), (Kb1, Kb2) et (Kc1, Kc2). Les interrupteurs d’un même demi-pont doivent être complémentaires pour que la source de tension E ne soit jamais en court-circuit, pour que les circuits des courants ia, ib et ic ne soient jamais ouverts. Eléments de base de l’onduleur, les interrupteurs de puissance se composent, selon la puissance commutée, des GTOs (Gate Turn Off), des MOSFETs (Metal Oxide Semiconducteur Field Effect Transistor) ou des IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor), en parallèle avec une diode (figure (1.3)). La diode permet d’assurer la continuité du courant lors du changement de sens de celui-ci [3,4].
 La branche 1 correspond à l’état bloquant du transistor et de la diode (figure (1.2)).
 La branche 2 correspond à la conduction du transistor.
 La branche 3 correspond à la conduction de la diode.
Les caractéristiques de l’onduleur sont principalement définies par ces composants de puissance. Ceux–ci déterminent la puissance, la tension et le courant maximum commuté, la fréquence maximale de commutation et le temps mort. Ces deux dernières caractéristiques sont particulièrement importantes car elles influencent beaucoup la conception. La fréquence maximale de commutation est déterminée par les temps de commutation (ouverture et fermeture du composant) des interrupteurs et par le temps mort. Sur une période des commutations, un interrupteur commuté au maximum deux fois: à l’ouverture et à la fermeture, figure (1.4). Le temps mort sert à prévenir les risques de court- circuit sur un bras. Nous considérons une charge triphasée équilibrée, et pour simplifier l’étude nous supposerons que le couplage en étoile. Pour cette structure, plusieurs types de commande sont possibles, les plus utilisées sont :
a- Commande pleine onde (dite 180°).
b- Commande 120°.
c- La Modulation de largeur d’impulsion (MLI).

Topologies hybrides

      Les trois topologies résumées ci-dessus constituent les structures de base des convertisseurs multi-niveaux. A partir de ces structure, des combinaisons sont possibles, afin d’obtenir des topologies hybrides. Un exemple de structure hybride est montré sur la figure (2.9.a). Deux onduleurs monophasés sont mis en série sur la même phase, l’un est un pont en H et l’autre est un onduleur de type NPC monophasé. Seule la cellule NPC est alimentée, ce qui réduit considérablement le volume de l’alimentation du système global. Il est également possible de connecter en série deux structures à cellules imbriquées, comme le montre la figure (2.9.b). Les topologies hybrides, lorsqu’elles sont utilisées permettent au convertisseur, de générer un nombre de niveaux plus élevés que celles dites homogènes. Ainsi, vue de la charge, le convertisseur génère une tension avec moins d’harmoniques pour un même nombre de semiconducteurs. Mais elles exigent des stratégies de commande un peu plus complexes et peuvent poser des problèmes aux niveaux des échanges énergétiques entre convertisseurs.

dSPACE DS1104

        Le pilotage en temps réel des systèmes continus se fait à l’aide d’un PC connecté à la carte dSPACE DS1104. La programmation se fait à l’aide de l’outil de modélisation SIMULINK, qui aide à poser le problème d’une manière graphique en utilisant les blocs interconnectés. En effet, beaucoup de systèmes de développement en temps réel à base de DSP sont conçus avec une interface à Simulink par laquelle ils peuvent convertir les blocs de Simulink en code machine qui peut être exécuté sur un système à base de DSP. Ceci réduit considérablement le temps de développement et de prototypage pour le control des systèmes. Le prototypage passe alors par trois étapes :
1. Construction du système de commande en utilisant les blocs de Simulink
2. Simulation du système pour voir les résultats dans différents étapes.
3. Exécution du modèle en temps réel à travers la carte DS1104.
Le processeur principal est un MPC8240, avec une horloge de 250MHz. Les caractéristiques de la carte sont données dans l’annexe. La carte DS1104 (Master PPC) dispose de 8 convertisseurs analogiques numériques ADC dont la tension d’entrée est comprise entre -10V et +10V; et 8 convertisseurs numériques analogiques DAC dont la tension délivrée est comprise entre -10V et +10V. Il dispose également de plusieurs interfaces notamment des entrées sorties numériques, des codeurs incrémentaux, etc…(figure (4.4)). La carte DS1104 dispose également d’un DSP esclave, le TMS320F240 DSP qui sera utilisé pour générer les signaux MLI (PWM). Ces derniers sont des signaux TTL de niveau de tension compris entre 0 et 5V. L’onduleur pédagogique SEMIKRON est doté des cartes drivers permettant de piloter les IGBT des bras du pont.

Interprétation des résultats

        Après le développement et l’implantation des algorithmes de chaque stratégie de commande en temps réel dans la carte dSPACE DS1104, on observe l’efficacité de ces algorithmes testées sur un moteur asynchrone triphasé de 1.5 KW. On remarque que : L’allure de la tension simple entre la phase et le neutre Uan, obtenue à la sortie de l’onduleur, pour chaque stratégie de modulation MLI est similaire à celle obtenue en simulation.
– Dans la zone de modulation M=0.9, On observe que le spectre harmonique du courant statorique obtenu par MLIV (SVPWM) (THDi = 03.70%) est réduit par rapport à celui obtenu par MLID3 (DPWM3) (THDi = 07.10%). Concernant le spectre harmonique de la tension simple à la sortie de l’onduleur, on n’obtient pas un grand écart entre les deux techniques de modulation (THDU= 27.10% avec la MLIV et THDU= 25.00% avec la MLID3). Avec la technique MLID3, on obtient un nombre de commutation (p=78 commutations) réduit par rapport à celui obtenu par MLIV (p=120 commutations), donc on a une réduction d’un tiers sur les pertes de commutations au niveau des interrupteurs de puissance.
– Dans la zone de sur-modulation M=1.2 : On observe que les spectres harmonique du courant statorique et de la tension simple obtenus par MLID3 (THDI = 04.70% et THDU=11.70%) sont presque égaux aux spectres obtenus par MLIV (THDI = 04.90% et THDU= 11.00%). Concernant les pertes de commutations, on obtient presque le même nombre de commutation p pour les deux stratégies, puisque dans la zone de sur-modulation, l’amplitude de la porteuse est supérieure à l’amplitude de la référence, ce qui entraine la saturation naturelle des références.
– Dans la zone de sous-modulation lorsque M<0.5 : On ne prend pas le risque d’implanter les algorithmes développés dans cette zone de fonctionnement, puisque dans le mode de simulation le régime transitoire est très long. Concernant l’allure de la vitesse de rotation du moteur a presque la même forme pour les différentes stratégies de modulation montrant une bonne régulation de la vitesse. D’une façon générale, les résultats expérimentaux confirment les résultats obtenus par simulation. Comparant les résultats des trois stratégies, on peut dire que la stratégie MLID3 est meilleure du point de vue réduction des pertes de commutations, ce qui donne la possibilité d’augmenter la fréquence de modulation.

Conclusion

        Le travail présenté dans cette thèse s’inscrit dans l’optimisation de la commande de l’onduleur triphasé à deux niveaux, pour améliorer la qualité des ondes de tension et de courant à sa sortie. Puisque ces convertisseurs sont très utilisés dans l’industrie et touchent des domaines d’applications les plus variés, le plus connu est sans doute, celui de la variation de vitesse des machines à courant alternatif. Dans le premier chapitre, nous avons présenté les notions de base sur la structure, le principe de fonctionnement, la modélisation et la commande en pleine onde d’un onduleur triphasé à deux niveaux. Avec cette commande, on obtient des tensions non sinusoïdales à sa sortie. Dans le deuxième chapitre, une étude et analyse des onduleurs multi-niveaux à été menée. Nous avons montré les différentes topologies de ces onduleurs ainsi que leurs principes de fonctionnement avec le NPC à trois, cinq et sept niveaux de tensions. L’augmentation des niveaux donne une meilleure solution pour l’obtention des tensions avec un taux de distorsion harmonique réduit, cela conduit aussi à l’augmentation des pertes de commutations due au nombre élevé des interrupteurs utilisés. Dans le troisième chapitre, nous avons montré les différentes stratégies de modulation(MLI sinusoïdale, MLI vectorielle et la plus récente MLI discontinue). Les résultats obtenus par simulation, montrent que la MLI vectorielle et la MLI discontinue présentent une grande qualité spectrale des tensions et des courants à la sortie de l’onduleur par rapport à la MLI sinusoïdale. Mais du point de vue réduction des pertes dus aux commutations, la MLI discontinue présente moins de pertes par rapport aux autres stratégies. Elle offre une réduction de 35% des nombres de commutations, ce qui conduit à l’augmentation de la fréquence d’échantillonnage des interrupteurs. (Ex : avec fm = 6 Khz et M = 0.9, on obtient pour la MLID3 p = 78 et pour la MLIV p = 120 commutations). Dans le dernier chapitre, nous avons présenté l’implantation en temps réel des programmes et des algorithmes développés, pour chaque stratégie de modulation, dans une carte dSPACE DS1104 pour commuter les IGBTs d’un onduleur triphasé à deux niveaux alimentant un moteur asynchrone. Les résultats expérimentaux obtenus pour plusieurs essais, confirment les resultats obtenus en simulation, et montrent aussi l’efficacité de ces algorithmes. Nous pouvons conclure que la MLI discontinue s’adapte mieux aux entraînements à vitesse variable des moteurs à courant alternatif, car elle s’intègre de façon naturelle dans le système de régulation, surtout si on adapte la commande vectorielle du moteur.

Table des matières

Introduction Générale
1. Introduction
Chapitre 1 : Modélisation et Fonctionnement des Onduleurs à Deux Niveaux 
1.1. Introduction
1.2. Principe de fonctionnement de l’onduleur triphasé
1.3. Modélisation de l’onduleur triphasé
1.4. Commande en pleine onde 180°
1.5. Commande à 120°
1.6. Conclusion
Chapitre 2 : Modélisation et Fonctionnement des Onduleurs Multiniveaux 
2.1. Introduction
2.2. Les différentes topologies des onduleurs multiniveaux
2.2.1. Onduleur de tension clampé par le neutre (NPC)
2.2.2. D’autres variantes de la topologie à potentiel distribué
2.2.3. Onduleur de tension à cellules imbriquées
2.2.4. Onduleur de tension en cascade
2.2.5. Propriétés des principales structures
2.2.6. Topologies hybrides
2.3. Les onduleurs multiniveaux de type NPC
2.3.1. Onduleur à trois niveaux de type NPC
2.3.1.1. Structure
2.3.1.2. Principe de fonctionnement
2.3.2. Onduleur à cinq niveaux de types NPC
2.3.2.1. Structure
2.3.2.2. Principe de fonctionnement
2.3.3. Onduleur à sept niveaux de type NPC
2.3.3.1. Structure
2.3.3.2. Principe de fonctionnement
2.4. Modélisation de l’onduleur de tension à trois niveaux de type NPC
2.4.1. Fonctions de connexion
2.4.1.1. Relation entre les fonctions de connexion
2.4.1.2. Relation entre les fonctions des demi-bras
2.4.2. Modélisation des valeurs instantanées
2.4.2.1. Les potentiels Vio
2.4.2.2. Tensions de sortie
2.4.2.3. Matrice de conversion simple [N(t)]
2.4.2.4. Matrice de conversion composée [M(t)]
2.5. Résultats de simulation
2.5.1. Onduleur triphasé à trois niveaux NPC commandé en pleine onde
2.6. Conclusion
Chapitre 3 : Les Différentes Stratégies de Commande MLI
3.1. Introduction
3.2. La modulation sinusoïdale
3.2.1. Modulation sinusoïdale naturelle
3.2.2. Modulation sinusoïdale à doubles triangles
3.2.3. Générations des rapports cycliques de la MLIS
3.2.4. Résultats de simulation
3.3. La modulation vectorielle
3.3.1. Générations des rapports cycliques de la MLIV
3.3.2. Résultats de simulation
3.4. La modulation de la largeur d’impulsion discontinue (MLID)
3.4.1. Générations des rapports cycliques de la MLID (DPWM)
3.4.2. MLID-MIN et MLID-MAX (DPWM-MIN et DPWM-MAX)
3.4.3. MLID0, MLID1, et MLID2 (DPWM0, DPWM1 et DPWM2)
3.4.4. MLID3
3.4.5. Résultats de simulation
3.5. Interprétation des résultats
3.6. Les pertes dans l’onduleur
3.6.1. Les pertes par conduction
3.6.2. Les pertes par commutation
3.7. Conclusion
Chapitre 4 : Validation Expérimentale
4.1. Introduction
4.2. Description du banc d’essais
4.2.1. Environnement matériel
4.2.2. Environnement logiciel
4.3. Les résultats expérimentaux
4.3.1. Algorithme développé par MLIS (SPWM)
4.3.2. Algorithme développé par MLIV (SVPWM)
4.3.3. Algorithme développé par MLID3 (DPWM3)
4.4. Interprétation des résultats
4.5. Conclusion
Conclusion Générale
1. Conclusion
2. Perspectives

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