spécialité : réseaux electriques (re) thème etude d’un
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République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
Université Larbi Ben M’hidi, Oum El-Bouaghi Faculté des Sciences et des Sciences Appliquées
Département de Génie Electrique
Mémoire de fin d’études en vue de l’obtention du Diplôme de Master
Spécialité : Réseaux Electriques (RE)
Thème
Etude d’un onduleur multi-niveaux
en cascade de type 3/2
Soutenu le juin 2018
Proposé et Dirigé par : Présenté Par :
Mr Abdesselam Barkat Med Lotfi Dekkiche
Année Universitaire : 2017/2018
Je dédie ce modeste travail à :
Ma mère,
Mon père,
Ma grande mère,
Mon grand père,
Ma sœur,
Mes frères,
Au reste de ma famille et à tous mes amis,
Tous mes collègues de la promotion M2 RE 2018
Mohammed Lotfi Dekkiche
Remerciements
Avant tout, je remercie ALLAH pour tout qu’il m’a offert tant dans le domaine
des sciences que dans celui des connaissances.
Je tiens à remercier vivement mon promoteur Monsieur Abdesselam Barkat pour ces
orientations éclairées, ses conseils, son esprit critique et son aide précieuse.
Je remercie également, le président et les membres du jury pour leur accord de juger mon
travail.
Je remercie aussi tous mes enseignants de la formation et particulièrement ceux de la
spécialité ELT.
Toute ma gratitude à tous ceux qui, de prés ou de loin, ont contribué à notre formation.
Sous oublier, en fin de remercier vivement tous les membres de ma famille.
Résumé
L’emploi des onduleurs multi-niveaux dans les installations industrielles est motivé
par les avantages énergétiques, largement éprouvés tels que, la réduction très significative du THD du courant, l’amélioration du facteur de puissance, la réduction des contraintes en
tension aux bornes des interrupteurs statiques, … Les principales applications des topologies multi-niveaux, se trouvent généralement dans la traction et la propulsion électriques (navires électriques, variateurs de vitesse, …) ainsi
que dans les systèmes de génération et de transport de l’énergie électrique.
Vu l’utilité que présente les onduleurs multi-niveaux, l’objectif visé par ce travail est l’étude de la topologie et de la commande d’un onduleur hybride multi-niveaux en cascade de type 3/2 (onduleurs 3 et 2 niveaux en cascade) utilisé pour entraîner une
machine asynchrone (MAS). Ceci permet de déterminer les caractéristiques, par simulation, de ce type de convertisseur, surtout du point de vue THD du courant et de la
tension de sortie, en comparaison avec d’autres entraînements utilisant des topologies d’onduleurs conventionnels ou similaires.
Mots-Clés
Onduleur multi-niveaux, onduleur NPC, onduleur hybride en cascade, commande MLI (ou
PWM), commande vectorielle.
Sommaire
Introduction Générale........................................................................................................1
Chapitre 1:
Catégories et topologies des onduleurs multi-niveaux
I.1 Introduction……………………………………………………………………………3
I.2 Principe de fonctionnement de l’onduleur triphasé à deux niveaux de tension………4
I.3 Intérêt des onduleurs multi-niveaux ………………………………………………..…5
I.4 Différentes topologies des onduleurs multi-niveaux…………………………………6
I.4.1 Onduleurs multi niveaux avec diodes de bouclage…….…………………..7
a) Topologies NPC classiques......……………………………………………..7
b) Topologies basées sur NPC……………………………………………...…9
I.4.2 Onduleurs multi-niveaux à condensateur flotteur ou à cellules imbriquées...9
I.4.3 Les onduleurs multi-niveaux en pont H (H-Bridge en cascade)………….12
a) H-Bridge Classiques………………………………………………………12
b) Topologies basées sur l’onduleur en pont H………………………………13
I.4.4 Les onduleurs multi-niveaux hybrides…………………………………….13
I.5 Propriétés des principales structures……………………………………………...…15
I.5.1 Classification des topologies selon leur alimentation...……………………15
I.5.2 Nombres de composants nécessaires...………………………………….…16
I.6 Conclusion………………………………………………….………………………...17
CHAPITRE II
Principe de fonctionnement et commande de l’onduleur NPC trois
niveaux
II.1 Introduction……………………………………………………………...……….….19
II.2 Onduleur à trois niveaux de type NPC…………………………………...………….19
II.2.1 Structure………………………………………………………...………....19
II.2.2 Principe de fonctionnement.……………………………………………….21
II.3 Modélisation de l’onduleur de tension à trois niveaux de type NPC….……...…….24
II.3.1 Fonctions de connexion………..…………………………………………..26
a) Relation entre les fonctions de connexion…..……………………...……..27
b) Relation entre les fonctions des demi-bras………………….………….…27
II.3.2 Potentiels et tension de sotie…………………………………………..27
a) Potentiels …………………………………………..………………..27
b) Tensions de sortie…………………………………..………...…………28
b.1) Tensions composées……………………………………………….28
b.2) Tensions simples…………………………………………………..29
II.3.3 Tension de sortie pour l’onduleur multi-niveaux en cascade 3/2…………29
II.4 Techniques de commandes MLI…………………………………………………….31
II.4.1 Commande en pleine onde de type ………………………………...32
II.4.2 Modulation sinusoïdale (ou sinus-triangle)……………………………….32
a) Modulation sinusoïdale naturelle…………………………………...33
b) Modulation sinusoïdale à double triangles……………….…………34
II.4.3 Modulation vectorielle…………………………………………………….35
a) Principe de la modulation vectorielle……………………………….35
II.5 Commande vectorielle de la machine asynchrone……..….…………………….…37
II.5.1 Principe de la commande vectorielle de la MAS……………...…………38
II.6 Conclusion…………………………………………………………………………..40
Chapitre III
Simulation d’entrainements avec onduleurs deux, trois niveaux et 3/2 en
cascade
III.1 Introduction……………………………………………………….……………….41
III.2 Paramètres de simulation………………………………………………………….41
III.2.1 Paramètres de la MAS…..………………………………..……………..41
III.2.2 Paramètres de la MLI…..………………………….……...……………..41
III.3 Résultats de simulation pour un entraînement d’une MAS….…..…………....…..42
III.3.1 Entraînement avec un onduleur deux niveaux…………………….……42
III.3.2 Entraînement avec un onduleur trois niveaux……….……………….…45
III.3.3 Entraînement avec onduleur 3/2 en cascade………………….…………49
a) Commande en Boucle Ouverte (sans régulation de vitesse).………49
b) Commande en Boucle Fermée (avec régulation de vitesse)…….....51
III.4 Comparaison et interprétations des résultats de simulation………………………54
III.4 Conclusion…………………………………………………………….…...…...…55
Bibliographie……………………………………………………………………………56
Annexe…………………………………………………………………………………..60
Notation
THD : Total Harmonic Distortion.
IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistor.
SVM : Space Vector Modulation.
SPWM : Sinus Pulse Width modulation.
PWM : Pulse Width modulation.
MLI : modulation à largeur d’impulsion.
MAS : machine asynchrone.
NPC : Neutral Point Clamped .
p : Nombre de paires de pôles.
: Interrupteur.
: Diode.
CDC : NPC en cascade.
CMH : H-bridge en cascade.
CDCH : NPC et H-bridge en cascade.
: Tension entre le point milieu ‘i’ de chaque bras de l’onduleur et le point
milieu ‘0’ de l’alimentation de l’onduleur [V].
: Fonction de connexion.
: Tension simple aux bornes de chaque phase de la charge [V].
g : masse fictif de convertisseu .
Tension entre le point a de la phase statorique et le point de la masse g.
d,q : Axe de référentiel de Park.
r,s : Indices respectifs du stator et du rotor.
iqs et ids Courants statoriques dans le repère de Park (dq).
τr Constantes de temps rotorique et statorique.
M : inductance mutuelle cyclique entre stator et rotor.
ids*, iqs* (ids_ref, iqs_ref) Courants statoriques de référence dans le repère de Park (dq).
vds*, vqs* (vds_ref, vqs_ref) Tensions statoriques de référence dans le repère de Park (dq).
φdr et φqr Flux rotorique dans le repère de Park (dq).
Ce, Tém : Couple électromagnétique du moteur à induction.
Liste des figures
N0 de figure Titre de figure page Figure I-1 Schéma représentatif d’un onduleur triphasé à deux niveaux de
tension
4
Figure I-2-a Mise en parallèle transistor-diode 5 Figure I-2-b Caractéristique statique 5 Figure I-3 Différentes topologies des onduleurs multi-niveaux 6
Figure I-4 Onduleur NPC à trois niveaux (phase a) 7
Figure I-5 Onduleur NPC à quatre niveaux (phase a) 8
Figure I-6 Topologies basées sur le modèle NPC 9
Figure I-7 Structure d’un bras d’onduleur FC de trois niveaux 10
Figure I-8 Topologie multi-niveau à cellules imbriquées pour quatre
niveaux (phase a)
11
Figure I-9 Onduleur H-bridge à 5 niveaux, monophasé (à gauche) et
triphasé (à droite)
12
Figure I-10 Modèle de topologie parallèle de phase avec bobine
d’interphase
13
Figure I-11 Hybridation en pont de 2 onduleurs multi-niveaux 14
Figure I-12 Hybridation en cascade d’onduleurs multi-niveaux de type H-
bridge
14
Figure I-13 Hybridation 3/2 en pont avec deux onduleurs connectés à un
moteur asynchrone
15
Figure II-1 Structure d’un onduleur triphasé à trois niveaux de type NPC
20
Figure II-2 Bras d’un onduleur NPC à trois niveaux
21
Figure II-3 Première configuration du premier bras
22
Figure II-4 Deuxième configuration du premier bras
22
Figure II-5 Troisième configuration du premier bras
23
Figure II-6 Forme d’onde de la tension de sortie d’un bras d’onduleur à trois niveaux de type NPC
24
Figure II-7 Onduleur triphasé à trois niveaux de tension de type NPC 25 Figure II-8 Interrupteur bidirectionnel équivalent de la paire transistor-
diode
25
Figure II-9 Un bras de l’onduleur à trois niveaux de tension
26
Figure II-10 Structure d’un onduleur multi-niveau en cascade n1/n2 30 Figure II-11 Différentes techniques de commande MLI
31
Figure II -12 Schéma de principe de la technique sinus-triangle
32
Figure II-13 Principe de la modulation MLI sinusoïdale classique
34
Figure II-14 Principe de la MLI à doubles triangles
35
Figure II-15 Schéma de principe de la MLI vectorielle
36
Figure II-16 Représentation dans le plan des vecteurs de tension de
l’onduleur à trois niveaux de tension
37
Figure II-17 Principe du contrôle vectoriel (orientation du flux rotorique) 39 Figure III-1 Signaux de commande des interrupteurs Ka1 et Ka2
42
Figure III-2 Vitesse de la MAS entraînée par onduleur 2 niveaux 43
Figure III-3 Couple électromagnétique de la MAS entraînée par
onduleur 2 niveaux
43
Figure III-4-a Courant de phase statorique de la MAS entraînée
par onduleur 2 niveaux
44
Figure III-4-b Régime sinusoïdal permanent du courant statorique Isa
(ond. 2 niv.)
44
Figure III-5 Tension simple Vsa da la MAS entraînée par onduleur 2
niveaux
45
Figure III-6 Signaux de commande des interrupteurs du bras de la phase a
46
Figure III-7 Vitesse de la MAS entraînée par onduleur 3 niveaux
46
Figure III-8 Couple électromagnétique de la MAS entraînée par onduleur 3
niveaux
47
Figure III-9-a Courant de phase statorique de la MAS entraînée
par onduleur 3 niveaux
47
Figure III-9-b Régime sinusoïdal permanent du courant statorique Isa
(ond. 3 niv.)
48
Figure III-10 Tension simple Vsa de la MAS entraînée par onduleur 3
niveaux
48
Figure III-11 Vitesse de la MAS entraînée en BO par onduleurs 3/2 en cascade
49
Figure III-12 Couple électromagnétique de la MAS entraînée par onduleurs
3/2 en cascade
49
Figure III-13-
a
Courant de phase statorique de la MAS entraînée en BO par
onduleurs 3/2 en cascade
50
Figure III-13-
b
Régime sinusoïdal permanent du courant statorique Isa
(cascade 3/2)
50
Figure III-14 Tension simple Vsa da la MAS entraînée en BO par
onduleurs 3/2 en cascade
51
Figure III-15 Contrôle vectoriel indirect à flux orienté de la MAS
52
Figure III-16-
a
Courant de phase statorique de la MAS entrainée en BF 53
Figure III-16-
b
Régime sinusoïdal permanent du courant statorique Isa 53
Figure III-17 Tension simple Vsa de la MAS entrainée en BF 54
Introduction générale
1
Introduction générale
L’utilisation des convertisseurs statiques dans l’industrie est devenue un champ
extrêmement vaste, car les équipements industriels utilisent de plus en plus des
entraînements à vitesse variable. Les onduleurs de tension sont largement utilisés, surtout
pour la commande des machines à courant alternatif.
Un onduleur de tension est un convertisseur statique alimenté soit par une source de
tension continue, pour fournir une tension ou un courant alternatif de valeur efficace et de
fréquence fixes (cas des alimentations sans interruption) ou variables (cas des variateurs
de vitesse).
L’inconvénient majeur des onduleurs conventionnels (à deux niveaux) est l’obtention
d’une tension non sinusoïdale à sa sortie, ce qui provoque une dégradation du régime de
fonctionnement de certaines charges, surtout le cas des machines électriques. Ces
tensions de sortie sont très riches en harmoniques, d’où la nécessité de les réduire. Les
onduleurs conventionnels sont limités aux applications de faibles et moyennes
puissances.
L’utilisation des topologies multi-niveaux de l’onduleur est motivé, vu les avantages
énergétiques largement éprouvés, entres autres :
- la réduction significative du taux de distorsion harmonique (THD) du courant ou de la
tension,
- l’amélioration du facteur de puissance,
- la réduction des contraintes en tension aux bornes des interrupteurs statiques,
- la diminution des pertes de puissance et la réduction du volume des filtres (si
nécessaire).
Les onduleurs à plusieurs niveaux de tensions sont très employés dans le domaine
des moyennes et des fortes puissances. Les onduleurs multi-niveaux, avec des topologies
naturelles ou hybrides, peuvent être utilisés dans : les variateurs de vitesse pour machines
électriques, le domaine médical, les alimentations de secours, les filtres actifs, ou dans les
applications des systèmes photovoltaïques.
Introduction générale
2
En revanche, l’onduleur multi-niveaux impose l’utilisation d'un grand nombre de
semi-conducteurs de puissance, donc une grande complexité pour la commande et
l’équilibrage de tensions aux bornes des condensateurs.
Vu l'intérêt que présente les onduleurs multi-niveaux, l’objectif de ce travail est
l’étude de la topologie et de la commande d’un onduleur multi-niveaux en cascade 3/2
qui est une hybridation en pont entre un onduleur triphasé (NPC : Neutral Point Clamped)
à 3 niveaux et un autre à 2 niveaux, connectés à un moteur asynchrone comme charge.
L’étude présentée dans ce mémoire est organisée en trois chapitres :
- Le premier chapitre présente les différentes catégories des onduleurs multi-
niveaux d’une manière générale, ainsi que les topologies hybrides associées tout
en montrant les avantages et les inconvénients de chaque catégorie.
- Le second chapitre est consacré à l’étude du principe de fonctionnement et à la
modélisation de l’onduleur de tension à trois niveaux, nécessaire pour déterminer
ses tensions de sortie et par la suite, celles de la cascade 3/2. De plus, quelques
stratégies de commande (à MLI) pour ce type de convertisseur, sont exposées.
- Le troisième chapitre est réservé aux simulations (sous Psim) pour des différents
entraînements d’une machine asynchrone à cage (MAS) avec trois types de
d’onduleurs de tension (deux niveaux, trois niveaux et en cascade 3/2) pour deux
types de commande à MLI, ce qui permet de suivre l’évolution temporelle des
différentes grandeurs de la MAS (vitesse, couple, courant et tension) et d’établir
les comparaisons entre les différentes structures d’onduleurs employés, surtout du
point de vue THD du courant et de la tension de phase alimentant la MAS.
CHAPITRE I
Catégories et topologies des
onduleurs multi-niveaux
I.1 Introduction
I.2 Principe de fonctionnement de l’onduleur triphasé à deux niveaux
de tension
I.3 Intérêt des onduleurs multi-niveaux
I.4 Différentes topologies des onduleurs multi-niveaux
I.4.1 Onduleurs multi niveaux avec diodes de bouclage
I.4.2 Onduleurs multi-niveaux à condensateur flotteur ou à cellules
imbriquées
I.4.3 Les onduleurs multi-niveaux en pont H (H-Bridge en cascade)
I.4.4 Les onduleurs multi-niveaux hybrides
I.5 Propriétés des principales structures
I.5.1 Classification des topologies selon leur alimentation
I.5.2 Nombres de composants nécessaires
I.6 Conclusion
Chapitre 1 Catégories et topologies des onduleurs multi-niveaux
3
I. 1 Introduction
Les onduleurs de tension constituent une fonction incontournable de
l’électronique de puissance. Ils sont présents dans les domaines d’application les plus
variés, dont le plus connu, sans doute est celui de la variation de vitesse des machines à
courant alternatif. La forte évolution de cette fonction s’est appuyée, d’une part sur le
développement des composants à semi-conducteurs entièrement commandé, puissants,
robustes et rapides et d’autre part, sur l’utilisation quasi-généralisée des techniques
dites de modulation de largeur d’impulsion, ainsi que le progrès réalisé dans le
domaine de la micro- informatique. 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 causée par l’apparition des tensions
homopolaires à l’arbre du moteur.
Pour surmonter ces problèmes, un nouveau type d’onduleur a été introduit,
en l’occurrence, l’onduleur multi-niveaux. Ce type d’onduleur présente plusieurs
avantages, parmi les plus importants, on mentionne :
il peut générer des tensions très proche de la sinusoïde avec une fréquence de
commutation égale à celle de la fondamentale ;
les performances spectrales des formes d’ondes des grandeurs de sortie d’un
onduleur multi-niveau sont supérieures à celles d’un onduleur à deux niveaux ;
les formes d’ondes des grandeurs de sortie d’un onduleur multi-niveau limitent
naturellement les problèmes de surtensions ;
il est bien adapté aux moteurs de moyennes et de grandes puissances.
Ce chapitre comprend deux parties. Tout d’abord, nous effectuons une
présentation des différentes catégories d’onduleurs multi-niveaux, et des topologies
hybrides associées.
Chapitre 1 Catégories et topologies des onduleurs multi-niveaux
4
I.2 Principe de fonctionnement de l’onduleur triphasé à deux niveaux de
tension
Les onduleurs sont des convertisseurs statiques de type continu-alternatif, un
onduleur se définit comme un appareil électronique de puissance. Il est capable de
fournir des courants alternatifs. Ils sont «statiques» car ils ne font intervenir aucun
mouvement mécanique (contrairement aux machines tournantes).
La figure (I-1) présente le schéma de principe de l'onduleur de tension triphasé.
IL est placé entre une source de tension continue supposée parfaite, donc de tension
constante, et une source de courant alternatif triphasé supposée elle aussi parfaite, donc
des courants, , et formant un système triphasé sinusoïdal équilibré.
Fig. I-1 Schéma représentatif d’un onduleur triphasé à deux niveaux de tension
L'onduleur triphasé est l'assemblage de trois demi ponts monophasés chacun est
formé de deux "interrupteurs" en série, ( ), ( ) et ( ).
Les interrupteurs d'un même demi-point doivent être à commandes
complémentaires pour que la source de tension continue ne soit jamais en court-
circuit et pour que les circuits des courants , et ne soient jamais ouverts.
Pour que les six interrupteurs puissent imposer les tensions de sortie, quels que soient
les courants , et , il faut que ces interrupteurs soient bidirectionnels en courant.
Chacun d'eux est formé d'un semi-conducteur à ouverture et fermeture commandées
Chapitre 1 Catégories et topologies des onduleurs multi-niveaux
5
et d’une diode montée en anti-parallèle (figure I-2 a) : et , et et
; la figure I-2 b montre la caractéristique statique de chaque interrupteur
bidirectionnel, celle-ci est constituée de trois branches :
- La branche 1 correspond à l'état bloquant du transistor et de la diode.
- La branche 2 correspond à la conduction du transistor.
- La branche 3 correspond à la conduction de la diode.
Fig. I-2-a Mise en parallèle transistor-diode Fig. I-2-b Caractéristique statique
I.3 Intérêt des onduleurs multi-niveaux
Un convertisseur statique DC-AC est dit « multi-niveaux » lorsqu’il génère une
tension de sortie découpée composée au moins de 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 du bus 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. Alors
l’amplitude des raies harmoniques est par conséquent moins élevée. Dans le cas de
Modulation de Largeur d’Impulsion (MLI), le recours à un convertisseur multi-niveaux
Chapitre 1 Catégories et topologies des onduleurs multi-niveaux
6
associé à une commande judicieuse des composants de puissance permet, en outre, de
supprimer certaines familles de raies harmoniques.
En général, les onduleurs de tension multi-niveaux peuvent être vus comme des
synthétiseurs de tension, dans lesquels la tension de sortie est synthétisée de plusieurs
niveaux de tension discrets [1].
I.4 Différentes topologies des onduleurs multi-niveaux
L’onduleur de tension multi-niveaux possède trois ou plusieurs niveaux. Le but
de cette partie est de donner une vue générale des topologies de base des onduleurs
multi-niveaux. La figure (I-3) représente les trois topologies principales des onduleurs
multi-niveaux les plus récentes :
Fig. I-3 Différentes topologies des onduleurs multi-niveaux
Deux catégories d’onduleurs multi-niveaux sont actuellement répertoriées. La
première catégorie regroupe les onduleurs principaux en trois groupes [2] :
1) les onduleurs à diodes de bouclage (en anglais clamping diodes) : Neutral Point
Clamped (NPC) et Multiple Point Clamped (MPC)
2) l’onduleur à condensateur flotteur (ou Flying Capacitor (FC) ou à cellules
imbriquées).
3) l’onduleur à pont en cascade (H-bridge).
La deuxième catégorie des onduleurs multi-niveaux comporte les assemblages
hybrides des onduleurs de la première catégorie. Ainsi, on peut citer entre autres [3]:
Chapitre 1 Catégories et topologies des onduleurs multi-niveaux
7
1) NPC en cascade (CDC),
2) H-bridge en cascade (CMH),
3) NPC et H-bridge en cascade (CDCH)
I.4.1 Onduleurs multi niveaux avec diodes de bouclage
a) Topologies NPC classiques
L’onduleur Neutral Point Clamped (NPC) est proposé par Baker. Cet onduleur
permet d’avoir un niveau impair de tension. Le premier onduleur NPC a été développé
pour une tension de sortie à trois niveaux par la superposition de deux interrupteurs
élémentaires alimentés chacun par une source de tension continue distincte.
Après le premier onduleur NPC breveté par Baker, d’autres chercheurs ont
développé les différentes structures basées sur NPC. L’onduleur NPC permet de disposer
d’un nombre impair de niveaux dans le motif de la tension en sortie. Cependant,
l’onduleur Multiple Point Clamped (MPC) a été développé dans les années 90 pour un
nombre pair de tensions. Ces deux types d’onduleurs sont montrés par les figure (I-4) et
figure (I-5) :
Fig. I-4 Onduleur NPC à trois niveaux (phase a)
Chapitre 1 Catégories et topologies des onduleurs multi-niveaux
8
Fig. I-5 Onduleur NPC à quatre niveaux (phase a)
Les principaux avantages de l’onduleur NPC à trois niveaux sur l’onduleur
classique à deux niveaux sont :
Les semi-conducteurs de puissance bloquent une tension inverse égale à la moitié de
la tension de l’étage continu ;
La topologie de base peut être facilement généralisée pour générer un convertisseur
avec un nombre de niveaux supérieur.
Cependant, pour les topologies avec diodes de bouclage, la pratique a révélé
plusieurs difficultés techniques qui compliquent ses applications au cas des grandes
puissances. Entres autres, on peut citer :
Le NPC exige des diodes de bouclage à vitesse de commutation élevée et qui doivent
être capables de supporter le courant de la pleine charge.
Pour les topologies avec plus de trois niveaux, les diodes de bouclage (clamping
diodes) peuvent augmenter les contraintes en tension. Une connexion série des diodes
pourrait donc être exigée, ce qui complique la conception et soulève des questions de
fiabilité et de coût de réalisation.
Chapitre 1 Catégories et topologies des onduleurs multi-niveaux
9
Le maintien de l’équilibre de la charge des condensateurs demeure toujours une
question ouverte pour les topologies des onduleurs NPC avec plus de trois niveaux.
Bien que le NPC à trois niveaux fonctionne avec un facteur de puissance élevé,
l’onduleur NPC multi-niveaux est employé surtout dans les circuits de compensation.
Cela est dû au problème d’équilibrage des capacités.
b) Topologies basées sur NPC
Il existe plusieurs variantes de convertisseurs multi-niveaux dont la configuration
est une modification de la topologie NPC de base. Ces variantes permettent par exemple
de repousser certaines limitations de la structure de base, comme l’inégalité des tensions
inverses supportées par les diodes. Les figures (I-6) montrent 3 niveaux NPC ;
Sur la configuration de la figure (I-6-b), les états de commutation peuvent être utilisés
pour doubler la fréquence de découpage apparente.
Fig. I-6 Topologies basées sur le modèle NPC
I.4.2 Onduleurs multi-niveaux à condensateur flotteur ou à cellules imbriquées
Dans un convertisseur à deux niveaux de tension, chaque phase est constituée
d’une paire d’interrupteurs de puissance montée en parallèle aux bornes d’un
condensateur. Ils sont souvent commandés de façon complémentaire, si bien que la
tension de sortie de la branche est reliée soit à la borne positive, soit à la borne négative
de ce condensateur.
Chapitre 1 Catégories et topologies des onduleurs multi-niveaux
10
Dans la topologie multi-niveau proposée en 1992 par T. Meynard et H. Foch,
elle est également connue sous l’appellation « flying capacitors multi- level inverter»
dans la littérature anglo-saxonne.
Plusieurs cellules « condensateur et paire d’interrupteurs » sont imbriquées les unes dans
les autres comme l’illustre la figure (I-7) pour un bras d’onduleur FC à trois niveaux :
Fig. I-7 Structure d’un bras d’onduleur FC de trois niveaux
La figure (I-8) montre la topologie multi-niveaux à cellules imbriquées pour
quatre niveaux avec ( , , , ... , ) :
Chapitre 1 Catégories et topologies des onduleurs multi-niveaux
11
Fig. I-8 Topologie multi-niveau à cellules imbriquées pour quatre niveaux (phase a)
Le principe de fonctionnement de cette topologie est quasiment identique à celui de la
topologie NPC. Elle présente plusieurs avantages, notamment :
La tension de blocage des interrupteurs est partout la même ;
Le concept peut être facilement appliqué à d’autres types de conve rtisseurs
(continu-continu, continu-alternatif, alternatif-alternatif), aussi bien pour un transfert
unidirectionnel de la puissance que bidirectionnel;
Les condensateurs n’étant jamais mis en série entre niveaux différents, le problème du
déséquilibre de leur tension n’existe plus.
Actuellement il semble que cette topologie a quelques inconvénients. Néanmoins,
quelques points faibles qui doivent toujours être explorés :
Le contrôleur de la charge du condensateur ajoute la complexité au contrôle du circuit
entier.
Chapitre 1 Catégories et topologies des onduleurs multi-niveaux
12
La topologie de l’onduleur multi-niveau à cellules imbriquées peut exiger plus de
condensateurs que la topologie de l’onduleur NPC. De plus, il est évide nt que
des courants de grande valeur efficace circuleront à travers ces condensateurs.
Il y a un potentiel de résonance parasite entre les condensateurs découplés.
I.4.3 Les onduleurs multi-niveaux en pont H (H-Bridge en cascade)
a) H-Bridge Classiques
Le premier modèle d’onduleur était l’onduleur en pont H (en anglais H-bridge),
apparu en 1975. Un progrès des onduleurs multi-niveaux a été dû au modèle en pont H
cascadé en série. La première application d’onduleur en pont H était pour la stabilisation
des plasmas en 1988. Les sorties des onduleurs en pont sont connectées en série de telle
sorte que l’onde de la tension synthétisée soit la somme des tensions de sortie.
L’avantage majeur de cette approche est que le nombre de paliers, sur le motif de la
tension de sortie, peut être augmenté sans aucun ajout de nouveaux composants.
L’utilisation de cellules de conversion de puissance en série permet d’accroître le nombre
de niveau de tension et de puissance du convertisseur. Mais l’inconvénient majeur de
cette topologie est le grand nombre de tensions continues isolées exigées pour chaque
pont.
La figure (I-9) présente un exemple d’un onduleur en pont H en cascade à cinq
niveaux monophasé (à gauche) et triphasé (à droite).
Fig. I-9 Onduleur H-bridge à 5 niveaux, monophasé (à gauche) et triphasé (à droite)
Chapitre 1 Catégories et topologies des onduleurs multi-niveaux
13
b) Topologies basées sur l’onduleur en pont H
Une autre structure couramment utilisée des onduleurs en pont H est la topologie
parallèle de phase. Dans cette topologie chaque phase est connectée à un onduleur en
pont H est reliée à un transformateur par des bobines d’interphase composées des
enroulements de transformateurs avec différents rapports de transformation. Le grand
avantage de cette structure est qu’elle utilise une seule source de tension continue, et par
le biais des bobines d’interphase elle est utilisable pour les courants élevés, bien que les
échelles de tension et de courant des transistors soient réduites.
La figure (I-10) montre un modèle de topologie parallèle de phase avec bobine
d’interphase :
Fig. I-10 Modèle de topologie parallèle de phase avec bobine d’interphase
I.4.4 Les onduleurs multi-niveaux hybrides
L’onduleur multi-niveau triphasé hybride est spécialement dédié grâce à la mise
en série ou en parallèle d’onduleurs de base. Les modèles hybrides peuvent être générés.
à l'entraînement des moteurs synchrones et asynchrones de grande puissance à tension
moyenne. La combinaison réelle de différentes topologies est basée sur les méthodes de
la théorie des graphes. Les topologies hybrides permettent d’améliorer la qualité de
puissance et l’augmentation du nombre de niveaux de la tension de sortie en utilisant
moins de sources de tension continue à l’entrée et moins de commutations.
Trois types d’hybridation sont développés dans l’industrie :
Chapitre 1 Catégories et topologies des onduleurs multi-niveaux
14
- Hybridation en pont, généralement entre onduleurs de même nature : la figure (I-11)
montre une hybridation en pont de deux onduleurs multi-niveaux ;
- Hybridation en cascade, les topologies fournissent un effet multiplicateur du nombre
de niveaux selon le modèle de structuration ; la figure (I-12) montre une hybridation
en cascade d’onduleurs multi-niveaux de type H-bridge.
Fig. I-11 Hybridation en pont de 2 onduleurs multi-niveaux
Fig. I-12 Hybridation en cascade d’onduleurs multi-niveaux de type H-bridge
La figure (I-13) montre l’hybridation 3/2 en pont avec deux onduleurs NPC connectés à
un moteur asynchrone :
Chapitre 1 Catégories et topologies des onduleurs multi-niveaux
15
Fig. I-13 Hybridation 3/2 en pont avec deux onduleurs connectés à un moteur asynchrone
Ce dernier type fera l’objet de l’étude présentée dans le deuxième chapitre.
I.5 Propriétés des principales structures
I.5.1 Classification des topologies selon leur alimentation
Les topologies telles que les onduleurs NPC et les onduleurs à cellules imbriquées
divisent leur tension d’alimentation, la tension de sortie est plus petite ou égale à la
tension continue d’entrée. Elles sont capables de fonctionner à partir d’une alimentation
continue unique.
Au contraire, les structures telles que les onduleurs en cascade élèvent leur tension
d’alimentation, la tension de sortie maximale est plus grande que chacune des tensions
d’alimentation et elle est plus petite ou égale à la somme des tensions d’alimentation.
Chapitre 1 Catégories et topologies des onduleurs multi-niveaux
16
I.5.2 Nombres de composants nécessaires
A l’aide des tableaux suivants, nous comparons le nombre de commutateurs
principaux et de diodes principales, nécessaires pour réaliser le nombre de niveaux de
tension :
Pour le cas le plus simple permettant d’obtenir trois niveaux par branche, nous obtenons :
Topologie
NPC
Cellules imbriquées
Cascade (en pont H)
Tableau (I-1) Nombres de composants nécessaires pour la topologie à trois niveaux [4].
Topologie
NPC
Cellules
imbriquées
Cascade (en pont
H)
Tableau (I-2) Nombres de composants nécessaires pour la topologie à n niveaux [5].
Avec :
- : le nombre de niveaux de tension obtenus,
- : le nombre de sources à courant continu,
- : le nombre de commutateurs principaux,
- : le nombre de diodes principales,
- : le nombre de diodes clampées,
- : le nombre de condensateurs d’équilibrage.
Chapitre 1 Catégories et topologies des onduleurs multi-niveaux
17
Du point de vue nombre de composants, les onduleurs à cellules cascadées
paraissent être la solution multi-niveau la plus avantageuse, surtout lorsque le nombre de
niveaux devient important. C’est effectivement le cas pour les applications monophasées
telles que le filtrage actif ou la compensation statique, lorsque le convertisseur n’a pas
besoin de fournir d’énergie au système. Pour les applications triphasées et pour un petit
nombre de niveaux, les onduleurs NPC sont intéressants, car les condensateurs sont
partagés par les différentes branches, ce qui permet un équilibrage de la puissance
circulant entre les phases. Cet équilibrage permet une réduction notable de la taille des
condensateurs intermédiaires.
Un autre avantage de l’onduleur cascadé est la flexibilité de disposition de circuit.
La disposition du circuit de modulation est possible puisque chaque niveau a la même
structure, et il n’y a aucune diode clampée supplémentaire ou un condensateur
d’équilibrage de tension. Le nombre de niveaux de la tension de sortie peut être
facilement ajusté en ajoutant ou en enlevant des cellules de pont complet [6].
I.6 Conclusion
Il existe plusieurs topologies d’onduleurs multi-niveaux, dont chacune correspond
à un type d’application bien déterminé permettant d’atteindre les performances
recherchées.
Dans ce chapitre, nous avons présenté les différentes structures de base
d’onduleurs de tension multi-niveaux.
Les onduleurs NPC sont intéressants pour les applications triphasées nécessitant
peu de niveaux. L’énergie stockée à l’étage intermédiaire peut être réduite. Les structures
permettant une conversion directe (NPC et cellules imbriquées) sont avantageuses pour
les applications avec échange de puissance active. Les onduleurs à cellules en cascade
sont très avantageux pour les applications monophasées sans échange de puissance
active. Ils conviennent même pour les très grandes tensions.
Les onduleurs hybrides ont pour but de diminuer la dépendance de la source par
rapport au nombre de niveaux, grâce aux propriétés de ‘’redondance’’ des séquences de
configuration.
Chapitre 1 Catégories et topologies des onduleurs multi-niveaux
18
Le chapitre suivant sera consacré à l’étude du principe et l’analyse du
fonctionnement de l’onduleur multi-niveaux en cascade 3/2, ainsi que quelques stratégies
de commande de ce type de convertisseur.
CHAPITRE II
Principe de fonctionnement et
commande de l’onduleur NPC trois
niveaux
II.1 Introduction
II.2 Onduleur à trois niveaux de type NPC
II.2.1 Structure
II.2.2 Principe de fonctionnement
II.3 Modélisation de l’onduleur de tension à trois niveaux de type
NPC
II.3.1 Fonctions de connexion
II.3.2 Potentiels et tension de sotie
II.3.3 Tension de sortie pour l’onduleur multi-niveaux en cascade 3/2
II.4 Techniques de commandes MLI
II.4.1 Commande en pleine onde de type
II.4.2 Modulation sinusoïdale (ou sinus-triangle)
II.4.3 Modulation vectorielle
II.5 Commande vectorielle de la machine asynchrone
II.5.1 Principe de la commande vectorielle de la MAS
II.5 Conclusion
Chapitre II Principe de fonctionnement et commande de l’onduleur NPC à 3 niveaux
19
II.1 Introduction
Les onduleurs multi-niveaux permettent de véhiculer des puissances élevées sans
que les composants qui les constituent ne subissent des contraintes considérables lors de
leur commande à l’ouverture ainsi qu’à la fermeture. La première structure d’onduleurs
multi-niveaux apparus est le NPC (Neutral Point Clamped) à trois niveaux proposé par
Nabea. A la sortie d’un onduleur, alimenté par une source de tension continue, on
obtient une tension alternative formée de créneaux rectangulaires. Le filtrage de cette
tension permet son approximation à une tension sinusoïdale. Si la tension a filtrer est à
la fréquence industrielle, le filtrage sera lourd, coûteux et les résultats obtenus seront
médiocres. D’où la nécessité d’une technique permettant le découpage d’une alternance
en plusieurs créneaux. La Modulation de Largeur d’Impulsion (MLI) est introduite pour
résoudre ce problème. Cependant, l’essor de la modulation MLI n’a été possible que
grâce aux progrès sur les semi-conducteurs.
La génération des signaux de commande de la modulation MLI se fait le plus
souvent en temps réel. On détermine ainsi les instants d’ouverture et de fermeture des
interrupteurs à l’aide d’une électronique de commande analogique ou numérique ou
éventuellement une combinaison des deux.
Ce chapitre porte, sur l’étude détaillée de l’onduleur de tension à trois niveaux de
type NPC (structure et principe de fonctionnement). Afin de généraliser les principes
employés dans la topologie NPC, nous allons les appliquer à l’onduleur à diodes de
bouclage à trois niveaux ; nous allons établir le modèle mathématique en mode
commandable, en utilisant la notion de fonctions de connexion des interrupteurs et des
demi-bras.
Enfin nous allons voir les différentes techniques de commande MLI : la
modulation sinusoïdale et modulation vectorielle.
II.2 Onduleur à trois niveaux de type NPC
II.2.1 Structure
L’idée de base de l’onduleur NPC est l’obtention d’une tension de sortie à trois
niveaux par la superposition de deux interrupteurs élémentaires alimenté chacun par une
source de tension continue distincte.
Chapitre II Principe de fonctionnement et commande de l’onduleur NPC à 3 niveaux
20
La figure (II-1) représente la structure topologique d’un onduleur triphasé à trois
niveaux. Elle est composée de trois bras monophasés. A partir de la source principale de
tension continue, et à l’aide d’un diviseur de tension capacitif formé par les
condensateurs de filtrage et de même capacité, on obtient deux sources
secondaires de tension continue délivrant chacune une demi- tension ( ). Cette
structure crée alors une source continue à point milieu (0).
Ces derniers sont identiques de manière à éviter le déséquilibre de charge
( c’est-à-dire ).
Fig. II-1 Structure d’un onduleur triphasé à trois niveaux de type NPC
Chaque demi-bras de l’onduleur se compose de deux interrupteurs en série
avec leur point commun relié par une diode de bouclage au point milieu de la source (0).
Une diode en antiparallèle est montée sur chaque interrupteur pour assurer la réversibilité
des courants dans la charge.
L’onduleur multi-niveaux de type NPC permet d’avoir une tension plus proche
de la sinusoïde que celle issue de l’onduleur classique à deux niveaux. Il permet
également, par la mise en série des interrupteurs, une meilleure maîtrise des contraintes
en tension sur les composants [7].
Chapitre II Principe de fonctionnement et commande de l’onduleur NPC à 3 niveaux
21
II.2.2 Principe de fonctionnement
L’onduleur triphasé à trois niveaux montré sur la figure (II-1), qui représente le
schéma de principe de l’une des topologies des onduleurs triphasés à structure NPC [8].
Grâce à la symétrie de ces derniers, on considère un seul bras dont la structure est
représentée par la figure (II-2).
Fig. II-2 Bras d’un onduleur NPC à trois niveaux
Il faut déterminer les valeurs que peut prendre la tension simple entre la
borne (a) de la charge et le point milieu ( ). Cette tension est entièrement définie par
l’état (0 ou 1) des quatre interrupteurs du bras. Nous avons
configurations possibles, seules trois configurations sont mises en œuvre,
toutes les autres séquences ne sont pas fonctionnelles, et sont donc à éviter. En effet, elles
provoquent, soient des courts-circuits des sources de tension continue, soit la
déconnexion de la charge.
Première configuration (combinaison des états : 1100)
sont passants, sont bloqués (figure II-3), on a la valeur de la
tension simple de sortie :
(II-1)
La tension inverse appliquée aux bornes des interrupteurs bloqués est :
(II-2)
Chapitre II Principe de fonctionnement et commande de l’onduleur NPC à 3 niveaux
22
Fig. II-3 Première configuration du premier bras
Deuxième configuration (combinaison des états : 0110)
sont passants, sont bloqués (figure II-4), le point a est relié
directement au point milieu 0. Donc, la tension de sortie est nulle :
(II-3)
La tension inverse appliquée aux bornes des interrupteurs bloqués est :
(II-4)
Fig. II-4 Deuxième configuration du premier bras
Troisième configuration (combinaison des états : 0011)
sont passants, sont bloqués (figure II-5), on a la valeur de la
tension simple de sortie :
(II-5)
Chapitre II Principe de fonctionnement et commande de l’onduleur NPC à 3 niveaux
23
La tension inverse appliquée aux bornes des interrupteurs bloqués est :
(II-6)
Fig. II-5 Troisième configuration du premier bras
Le Tableau (II-1) représente la tension de sortie d’un onduleur NPC à 3
niveaux en fonction de l’état des interrupteurs. Outre les variations du potentiel du point
milieu, la tension aux bornes des interrupteurs de puissance n’excède jamais la moitié du
bus d’entrée.
Etat des interrupteurs Tension
de sortie
1 1 0 0
0 1 1 0 0
0 0 1 1
Tableau (II-1) Table de commutation de l’onduleur NPC trois niveaux [9].
Pour visualiser l’enchaînement des configurations décrites ci-dessus, la figure (II-6)
représente les signaux de commande de chaque interrupteur, ainsi que la forme d’onde de
la tension de sortie .
Chapitre II Principe de fonctionnement et commande de l’onduleur NPC à 3 niveaux
24
Fig. II-6 Forme d’onde de la tension de sortie d’un bras d’onduleur à trois
niveaux de type NPC
La structure de l’onduleur à trois niveaux limite à la tension imposée à
chaque interrupteur lorsqu’il est bloqué, alors que dans la structure classique de
l’onduleur, cette tension vaut la tension continue complète . C’est cette caractéristique
de l’onduleur à trois niveaux qui permet de monter en puissance, dans le cas des
applications de forte puissance.
Donc, la tendance vers l’augmentation du nombre de niveaux est dictée par le
besoin de tensions plus élevées pour les applications de forte puissance. Ainsi que, plus le
nombre de niveaux augmente, la tension de sortie en forme d’escalier possède plusieurs
paliers. Ceci permet de mieux s’approcher des sinusoïdes.
II.3 Modélisation de l’onduleur de tension à trois niveaux de type NPC
Le circuit de puissance de l’onduleur multi-niveaux est donné par la figure (II-7) :
Chapitre II Principe de fonctionnement et commande de l’onduleur NPC à 3 niveaux
25
Fig. II-7 Onduleur triphasé à trois niveaux de tension de type NPC
Pour simplifier la complexité de la structure de l’onduleur à trois niveaux, on
présente chaque paire (transistor-diode) par un seul interrupteur bidirectionnel (figure
II-8) et vu la symétrie de la structure, on présente la configuration d’un seul bras.
Fig. II-8 Interrupteur bidirectionnel équivalent de la paire transistor-diode
L’ouverture et la fermeture des interrupteurs dépend de :
La commande externe (l’ordre d’amorçage ou de blocage du semi-conducteur bi-
commandable ).
La commande interne définie par les signes du courant du bras.
Pour éviter la mise en conduction simultanée des quatre interrupteurs d’un seul
bras, qui provoque un court-circuit aux bornes des sources continues et par conséquent le
risque de destruction des condensateurs et des composants semi-conducteurs, par
Chapitre II Principe de fonctionnement et commande de l’onduleur NPC à 3 niveaux
26
surintensité et qui peut engendrer la destruction par surtension des interrupteurs lors
ouverture simultanée de ces derniers, on adopte la solution classique suivante :
On doit réaliser une commande complémentaire des différents interrupteurs d’un même
bras de l’onduleur [10].
Cette commande est la seule qui permet d’exploiter les trois niveaux de la tension
de sortie, possibles pour un bras ( ), avec .
Pour le bras d’onduleur , la commande complémentaire est :
{
(II-7)
C’est cette commande qui va être adoptée pour la modélisation de l’onduleur à trois
niveaux (Fig. II-9) :
Fig. II-9 Un bras de l’onduleur à trois niveaux de tension
II.3.1 Fonctions de connexion
Chaque interrupteur supposé idéal introduit une fonction de connexion .
Avec :
: indicateur du bras.
: numéro de l’interrupteur du bras .
Cette fonction vaut si l’interrupteur est fermé, et dans le cas contraire.
{
(II-8)
Chapitre II Principe de fonctionnement et commande de l’onduleur NPC à 3 niveaux
27
a) Relation entre les fonctions de connexion
Ainsi les fonctions de connexions des interrupteurs du bras sont liées par les
relations suivantes :
(II-9)
b) Relation entre les fonctions des demi-bras
On définit la fonction de connexion du demi-bras qu’on notera avec
(haut) pour le demi-bras du haut et avec (bas) pour le demi-bras du bas.
Pour un bras , les fonctions de connexions des demi-bras s’expriment au moyen des
fonctions de connexions des interrupteurs comme suit :
(II-10)
Cette modélisation sera effectuée en considérant l’association de l’onduleur de tension
triphasé avec une charge triphasée équilibrée.
Tension simple aux bornes de chaque phase de la charge :
Tension entre le point milieu de chaque bras de l’onduleur et le point milieu
de l’alimentation continue de l’onduleur :
Charge triphasée équilibrée couplée en étoile.
II.3.2 Potentiels et tensions de sortie
a) Potentiels
Les potentiels des nœuds de l’onduleur triphasé à trois niveaux par
rapport au point milieu , sont donnés par le système suivant :
{
(II-11)
Pour l’onduleur triphasé à trois niveaux, les fonctions de connexions des demi-bras sont
définies selon les relations suivantes :
Chapitre II Principe de fonctionnement et commande de l’onduleur NPC à 3 niveaux
28
(II-12)
En introduisant ces fonctions de connexions des demi bras dans le système (II-35), on
aboutit à :
{
(II-13)
b) Tensions de sortie
Le système d’équation (II -13) nous permet d’avoir les tensions de sortie de
l’onduleur à trois niveaux qui s’expriment en fonction des deux tensions d’entrées et
.
On peut considérer l’onduleur à trois niveaux comme étant l’association en série
de deux onduleurs à deux niveaux et chaque bras de l’un de ces onduleurs sera un demi-
bras de l’onduleur à trois niveaux.
Dans ces conditions, nous pourrons définir le modèle liant les fonctions des demi-
bras et les tensions aux bornes de la charge (tensions simples et tensions
composées ).
b.1) Tensions composées
Les différentes tensions composées de l’onduleur triphasé à trois niveaux
s’expriment à l’aide des fonctions de connexions des interrupteurs comme suit :
{
(II-14)
Avec , le système (II-14) devient :
{
(II-15)
Les différentes tensions composées de l’onduleur triphasé à trois niveaux
s’expriment à l’aide des fonctions des demi-bras comme suit :
Chapitre II Principe de fonctionnement et commande de l’onduleur NPC à 3 niveaux
29
[
] [
] {[
] [
] } (II-16)
Cette relation se réduit à :
[
] [
] [
] (II-17)
b.2) Tensions simples
Lorsque la charge est un système triphasé équilibré, donc la somme des trois
tensions simples à la sortie de l’onduleur est nulle :
(II-19)
(II-20)
Sous la forme matricielle :
[
]
[
][
] (II-21)
II.3.3 Tension de sortie pour l’onduleur multi-niveaux en cascade 3/2
La structure générale de ce type d’onduleur est donnée par la figure (II-10)
suivante :
Chapitre II Principe de fonctionnement et commande de l’onduleur NPC à 3 niveaux
30
Fig. II-10 Structure d’un onduleur multi-niveau en cascade n1/n2 [11]
Si le dans la figure indique un point fictif, alors les tensions de phase du
convertisseur 1 (3 niveaux dans notre cas) peuvent être écrites comme suit :
[
]
[
] [
] (II-22)
Où est la masse qui coïncide avec le pôle négatif de la source continue du
convertisseur 1. A titre d’exemple est la tension entre le point et la masse .
De même pour le convertisseur 2 (2 niveaux dans notre cas) les tensions de phase de
celui-ci sont données par :
[
]
[
] [
] (II-23)
Chapitre II Principe de fonctionnement et commande de l’onduleur NPC à 3 niveaux
31
Où est la masse qui coïncide avec le pôle négatif de la source continue .
Les tensions de phase aux bornes de la charge (moteur asynchrone à cage dans notre cas)
sont :
(II-24)
Par substitution des équations (II-22) et (II-23) dans l’équation (II-24), on obtient :
[
]
[
] [
] (II-25)
Le maximum du nombre de niveaux réalisables de tension est le produit des niveaux de
tension de chaque convertisseur [11] :
(II-26)
Pour le cas du convertisseur à trois niveaux en cascade avec un convertisseur à deux
niveaux, on peut former un convertisseur à six niveaux de tension (six niveaux pour les
tensions
,
et
).
Pour obtenir ce nombre de niveaux de tension effectifs, le rapport des tensions
continues des deux convertisseurs doit être réglé par la relation [11] :
(II-27)
II.4 Techniques de commandes MLI
Nous distinguons plusieurs types de techniques de MLI, dont on peut citer (Fig.II-11) :
Fig. II-11 Différentes techniques de commande MLI
Stratégies de modulation
En pleine onde
type
MLI
MLI sinusoïdale MLI vectorielle
Chapitre II Principe de fonctionnement et commande de l’onduleur NPC à 3 niveaux
32
II.4.1 Commande en pleine onde de type
La tension générée par la stratégie de la commande pleine onde à une forme
rectangulaire, Sa décomposition en série de Fourier a montré que cette forme d’onde est
riche en harmoniques. Ce type de commande convient pour les onduleurs à deux niveaux.
II.4.2 Modulation sinusoïdale (ou sinus-triangle)
La modulation sinusoïdale consiste à utiliser les intersections d’une onde de
référence ou modulante, généralement sinusoïdale, avec une onde de modulation ou
porteuse, généralement triangulaire. Cette technique exige une commande séparée pour
chacune des phases de l’onduleur [12].
La figure ci-dessous illustre le principe de base de cette technique.
Fig. II -12 Schéma de principe de la technique sinus-triangle
Dans le cas d’une référence sinusoïdale, les caractéristiques sont :
L’indice de modulation égal au rapport de la fréquence de la porteuse à la
fréquence de la référence :
Le cœfficient de réglage égal au rapport de l’amplitude de la référence à
l’amplitude crête de la porteuse :
Le facteur d’évaluation des performances de la MLI qui est le distorsion facteur de
total des harmoniques de la tension de sortie (THD), défini par le rapport de la valeur
Chapitre II Principe de fonctionnement et commande de l’onduleur NPC à 3 niveaux
33
efficace des harmoniques de tension à la valeur efficace du fondamental de cette
tension :
√
(II-28)
Dans cette section, on analyse la stratégie de commande à modulation sinusoïdale,
il s’agit de déterminer, pour un onduleur triphasé à trois niveaux de type NPC, les
signaux de commande des interrupteurs.
a) Modulation sinusoïdale naturelle
Comme pour les onduleurs à deux niveaux, les signaux de commande des
interrupteurs de l’onduleur NPC sont obtenus à partir des intersections des trois signaux
de référence sinusoïdaux déphasés entre eux de , de fréquence et d’amplitude
, avec un signal triangulaire d’amplitude et de fréquence , très supérieure à
(Figure(II-13a)).La figure (II-13) montre le principe de la technique MLI sinusoïdale
naturelle utilisée pour un onduleur deux niveaux [13].
Les formes d’ondes des tensions de sortie par rapport au point milieu (O) de la
source continue , sont représentées par les figures (II -13 b, II -13 c et II -
13 d) respectivement.
Chapitre II Principe de fonctionnement et commande de l’onduleur NPC à 3 niveaux
34
Fig. II-13 Principe de la modulation MLI sinusoïdale classique
b) Modulation sinusoïdale à double triangles
Cette stratégie est basée au principe sur la modulation sinusoïdale naturelle. Pour
les onduleur deux niveaux, elle recommande l’utilisation de deux signaux triangulaires
symétriques de même fréquence et de même amplitude .Ces signaux triangulaires
sont comparés, pour chaque phase, avec un signal de référence d’amplitude et de
fréquence . C’est la modulation sinusoïdale à double triangle.
Pour les onduleurs avec un nombre de niveaux supérieur à trois, la technique
sinusoïdale naturelle avec son signal triangulaire unique, ne permet pas la génération de
tous les signaux de commande requis. Alors, Cette technique nécessite signaux
triangulaires de même fréquence et de même amplitude .
La figure II-14 représente le principe de la modulation sinusoïdale à double
triangle. Deux porteuses sont utilisées, avec trois signaux de référence, pour générer la
commande de chaque phase comme il est illustré sur la figure II -14a. Les figures II -14b,
II-14c et II-14d montrent les formes d’ondes des tensions , rapportées au
point milieu de la source continue à l’entrée de l’onduleur [14].
Chapitre II Principe de fonctionnement et commande de l’onduleur NPC à 3 niveaux
35
Fig. II-14 Principe de la MLI à doubles triangles
II.4.3 Modulation vectorielle
La modulation vectorielle, dite "Space Vector Modulation", est une modulation en
temps réel. Elle utilise le fait qu’un vecteur peut représenter les trois tensions d’un
système triphasé de somme nulle. Elle est conduite en synchronisme sur les trois phases.
Cette technique de MLI suit les principes suivants :
Le signal de référence est échantillonné à intervalles réguliers T (MLI régulière),
Pour chaque phase, réalisation d’une impulsion de largeur T centrée sur la période
(MLI symétrique) dont la valeur moyenne est égale à la valeur de la tension
de référence à l’instant d’échantillonnage .
Tous les interrupteurs d’un même demi-pont ont un état identique au centre et aux
deux extrémités de la période [15].
a) Principe de la modulation vectorielle
Le schéma de principe de la MLI vectorielle est présenté par la figure (II-15) :
Chapitre II Principe de fonctionnement et commande de l’onduleur NPC à 3 niveaux
36
Fig. II-15 Schéma de principe de la MLI vectorielle
Le principe de la modélisation vectorielle (SVM) consiste à reconstruire le vecteur
tension à partir de huit vecteurs de tensions, chacun correspond à une combinaison
des états des interrupteurs d’un onduleur de tension triphasé.
La MLI vectorielle est la méthode récemment la mieux adaptée au contrôle des moteurs
asynchrones contrairement à d’autres méthodes.
Elle consiste à considérer globalement le système triphasé et à lui appliquer une
transformée de Concordia pour se ramener dans le plan ( , ). Le système triphasé des
tensions à générer pour la durée d'échantillonnage en cours peut alors être représenté
comme un unique vecteur dans ce plan.
Ce vecteur n'est pas directement réalisable par les interrupteurs du variateur, mais on peut
chercher les trois configurations les plus proches (situées sur les sommets et au centre de
l’hexagone) et les appliquer successivement pendant une fraction adéquate de la période
d'échantillonnage, de façon à obtenir en valeur moyenne le vecteur recherché.
La modulation vectorielle traite donc, les signaux triphasés comme un tout. L’onduleur
triphasé à trois niveaux de tension ayant trois bras et trois configurations, possède
modes de commutations possibles. Il peut donc générer 27 vecteurs différents
de la tension de sortie [16].
La représentation sur le plan (α, β) de ces 27 vecteurs est donnée par la figure (II -16) :
Chapitre II Principe de fonctionnement et commande de l’onduleur NPC à 3 niveaux
37
Fig. II-16 Représentation dans le plan des vecteurs de tension de
l’onduleur à trois niveaux de tension
II.5 Commande vectorielle de la machine asynchrone
Au début des années 70, Blaschke et Hasse ont inventé une nouvelle technique dite
commande vectorielle. En utilisant cette technique, la machine asynchrone (MAS) peut
avoir des propriétés similaires à celle la machine à courant continu (MCC), sans les
inconvénients liés au système balais-collecteur. Les travaux de recherche effectués sur ce
sujet utilisent trois principales méthodes. La première dite « méthode directe », a été
initiée par Blaschke, la deuxième dite « méthode indirecte » a été introduite par Ha sse et
la troisième dite « méthode simplifiée » est développée par Robyns sur une machine
alimentée en tension dans le but de linéariser le comportement de la machine [17].
Chapitre II Principe de fonctionnement et commande de l’onduleur NPC à 3 niveaux
38
II.5.1 Principe de la commande vectorielle de la MAS
L’algorithme de référence de la commande de la machine asynchrone dit commande à
flux orienté (Field Oriented Control (FOC)) a été mis au point par Blaschke en 1972.
Cette méthode a marqué un pas décisif dans la façon de concevoir la commande des
machines à courant alternatif.
En effet, jusqu’aux développements théorique et pratique de Blaschke, seule la
commande scalaire était utilisée. A partir du constat que la machine à courant continu
était commandée via un découplage naturel, l’idée fondamentale de Blaschke fut de
mettre au point une commande permettant de rapprocher le comportement de la machine
asynchrone de celui de la machine à courant continu. Cette méthode se base sur la
transformation des variables électriques vers un référentiel qui tourne avec le vecteur du
flux rotorique. Par conséquent, ceci permet de commander le flux de la machine avec un
courant ids qui est l’équivalent du courant inducteur de la machine à courant continu. A
condition de travailler à flux constant, un courant orthogonal iqs permet de contrôler le
couple électromagnétique, correspondant au courant induit de la machine à courant
continu. Les techniques de contrôle vectoriel sont liées à la maîtrise du vecteur flux
(amplitude et position instantanée) et correspondent de ce fait à un contrôle tant des
régimes permanents que transitoires. Par conséquent, Contrairement aux méthodes
scalaires, les algorithmes de contrôle vectoriel permettent de faire varier non seulement
l’amplitude et la vitesse de rotation des vecteurs spatiaux, mais aussi leur phase. Grâce à
cela, il est possible dans certaines conditions d’agir séparément sur le flux de la machine
et le courant responsable du couple de la même façon que pour une machine à CC à
excitation séparée.
Le couple en régime transitoire (quelconque) s'exprime dans le repère (d,q) par :
(II-29)
On s'aperçoit que si l'on élimine : , alors le couple ressemblerait fort à celui d'une
machine à courant continu. Il suffit, pour ce faire, d'orienter le repère (d,q) de manière à
annuler la composante de flux en quadrature. C'est-à-dire, de choisir convenablement
l'angle de rotation de Park de sorte que le flux rotorique soit entièrement porté sur l'axe
direct (d) et donc d’avoir : ainsi figure (II-17).
Chapitre II Principe de fonctionnement et commande de l’onduleur NPC à 3 niveaux
39
Fig. II-17 Principe du contrôle vectoriel (orientation du flux rotorique)
Le couple pourra être écrit comme suit :
(II-30)
et le flux :
(II-31)
Avec
la constante de temps rotorique et s la variable de la transformée de
Laplace.
En régime permanent
La composante ids commande donc le flux rotorique et la composante iqs le couple
électromagnétique à flux constant. C’est pourquoi on parle de découplage dans la
commande vectorielle.
Notons que le problème essentiel de la commande est de déterminer la norme et la
position du flux rotorique, qui ne sont pas mesurables directement. Il est nécessaire de
connaître ces deux grandeurs pour le contrôle du régime dynamique de la machine [18].
Chapitre II Principe de fonctionnement et commande de l’onduleur NPC à 3 niveaux
40
II.6 Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons présenté la structure topologique d’un onduleur de
tension triphasé de type NPC, dit à diode de bouclage. En définissant le modèle de
l’interrupteur bidirectionnel en courant, ainsi que la détermination de son modèle
mathématique en mode commandable, en optant pour une commande complémentaire
optimale des quatre interrupteurs, qui le constituent. Les ondes de tension obtenu
correspondent aux tensions simples sont non sinusoïdales très riche
en harmoniques.
Il est nécessaire de penser à d’autres stratégies de commande pour réduire ces
harmoniques
Les différentes stratégies de commande de l’onduleur sont la MLI sinusoïdale et la MLI
vectorielle.
La MLI vectorielle génère les signaux d’impulsions simultanément avec la rotation du
vecteur de référence, par contre la MLI sinusoïdale nécessite de déterminer les instants
de commutations des interrupteurs de chaque bras de l’onduleur séparément.
Nous avons évoqués le principe de fonctionnement et les avantages de la commande
vectorielle avec asservissement de la vitesse de la machine asynchrone.
Dans le chapitre suivant et pour montrer l’importance de l’onduleur multi-
niveaux, nous allons effectuer des simulations (sous Psim) pour un onduleur deux
niveaux, trois niveaux et pour l’onduleur hybride trois-deux en cascade. La charge
considérée est un moteur asynchrone triphasé à cage.
Chapitre III
Simulation d’entrainements avec
onduleurs deux, trois niveaux et 3/2
en cascade
III.1 Introduction
III.2 Paramètres de simulation
III.2.1 Paramètres de la MAS
III.2.2 Paramètres de la MLI
III.3 Résultats de simulation pour un entraînement d’une MAS
III.3.1 Entraînement avec un onduleur deux niveaux
III.3.2 Entraînement avec un onduleur trois niveaux
III.3.3 Entraînement avec onduleur 3/2 en cascade
III.4 Comparaison et interprétations des résultats de simulation
III.4 Conclusion
Chapitre III Simulation d’entrainements avec onduleurs deux, trois niveaux et 3/2 en cascade
41
III.1 Introduction
Dans ce chapitre, nous allons effectuer des simulations (sous PSIM) avec trois
types d’onduleurs entraînant une machine asynchrone (MAS) à cage : un onduleur deux
niveaux, un onduleur trois niveaux et une cascade trois-deux (onduleur trois niveaux en
cacade avec un onduleur deux niveaux) pour une commande MLI de type sinus-triangle
(modulation intersective) et pour une commande vectorielle à flux orienté appliquée à
l’entraînement avec onduleur hybride 3/2 en cascade.
Ces simulations, nous permettent d’établir des comparaisons, surtout du point de vue
THD du courant et de la tension de la charge, entre les différents résultats selon le type du
convertisseur considéré.
III.2 Paramètres de simulation
III.2.1 Paramètres de la MAS
Inductance de fuite d’une phase statorique :
Inductance magnétisante (stator ou rotor) :
Inductance de fuite d’une phase rotorique :
Nombre de paires de pôles :
Résistance d’une phase statorique :
Résistance d’une phase rotorique :
Puissance nominale :
Vitesse de rotation nominale :
Couple nominal :
Tension nominale :
Courant nominal :
Fréquence nominale :
Moment d’inertie :
III.2.2 Paramètres de la MLI
Le signal de référence est un signal sinusoïdal d’amplitude et de
fréquence
Chapitre III Simulation d’entrainements avec onduleurs deux, trois niveaux et 3/2 en cascade
42
La porteuse est un signal triangulaire d’amplitude et de fréquence
.
L’indice de modulation est :
III.3 Résultats de simulation pour un entraînement d’une MAS
III.3.1 Entraînement avec un onduleur deux niveaux
Sur les figures ci-dessous, sont présentées les résultats de simulation pour une
MAS alimentée par un onduleur de tension deux niveaux à commande MLI sinus-triangle
et dont le schéma de simulation est donné par la figure 1 de l’annexe.
Les signaux de commande du bras de la phase a, générés par la MLI sinus-triangle, sont
donnés par (Fig. III-1) :
Fig. III-1 Signaux de commande des interrupteurs Ka1 et Ka2
Nous remarquons bien que ces deux signaux de commande sont complémentaires.
La figure (III-2) présente la vitesse de rotation de la MAS, qui atteint la valeur 1425
tr/min en régime permanent après un régime transitoire dû au démarrage de la MAS en
charge :
0
-0.5
-1
-1.5
0.5
1
Vma Vp
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Vca1
0 0.001 0.002 0.003 0.004
Time (s)
0
0.4
0.8
Vca2
Chapitre III Simulation d’entrainements avec onduleurs deux, trois niveaux et 3/2 en cascade
43
Fig. III-2 Vitesse de la MAS entraînée par onduleur 2 niveaux
Le couple électromagnétique Tém de la MAS est donné par la figure III-3 :
Fig. III-3 Couple électromagnétique de la MAS entraînée par onduleur 2 niveaux
Nous remarquons bien que ce couple atteint sa valeur nominale (50 Nm environ) après un
certain régime transitoire dû au démarrage de la MAS.
Le courant de phase statorique Isa de la MAS est donné par la figure III-4-a :
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Time (s)
0
-500
500
1000
1500
2000
Nr
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Time (s)
0
-50
50
100
150
200
250
300
Tem_IM1
Chapitre III Simulation d’entrainements avec onduleurs deux, trois niveaux et 3/2 en cascade
44
Fig. III-4-a Courant de phase statorique de la MAS entraînée
par onduleur 2 niveaux
Le régime permanent sinusoïdal du courant statorique Isa est atteint après un appel de
courant très élevé dû au démarrage de la MAS en charge. Ce régime presque sinusoïdal
est clairement observé par agrandissement de l’échelle selon l’axe des abscisses et l’axe
des ordonnées (Fig. III-4-b) :
Fig. III-4-b Régime sinusoïdal permanent du courant statorique Isa (ond. 2 niv.)
La valeur efficace du courant statorique est :
Le taux de distorsion harmonique du courant dans ce cas est :
La tension d’une phase statorique Vas de la MAS est représentée par la figure III-5 :
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Time (s)
0
-100
-200
100
200
Isa
0.57 0.58 0.59 0.6
Time (s)
0
-20
-40
20
40
Isa
Chapitre III Simulation d’entrainements avec onduleurs deux, trois niveaux et 3/2 en cascade
45
Fig. III-5 Tension simple Vsa da la MAS entraînée par onduleur 2 niveaux
La valeur efficace de la tension simple est :
Le taux de distorsion harmonique de la tension simple, dans ce cas, est :
III.3.2 Entraînement avec un onduleur trois niveaux
Les figures suivantes montrent les relevés de simulation d’un entraînement de la
MAS alimentée par un onduleur de tension trois niveaux, commandé par la MLI sinus-
triangle qui nécessite deux porteuses (double triangle) et dont le schéma de simulation est
donné par la figure 2 de l’annexe.
Les signaux de commande des interrupteurs du bras de la phase a, générés par la MLI à
double triangle, sont donnés par (Fig. III-6) :
(a) Commande des interrupteurs Ka1 et Ka3
0.57 0.58 0.59 0.6
Time (s)
0
-200
-400
200
400
Vsa
0
-0.5
-1
0.5
1
Vam Vp1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Vca1
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02
Time (s)
0
0.4
0.8
Vca3
Chapitre III Simulation d’entrainements avec onduleurs deux, trois niveaux et 3/2 en cascade
46
(b) Commande des interrupteurs Ka2 et Ka4
Fig. III-6 Signaux de commande des interrupteurs du bras de la phase a
Nous remarquons que les deux signaux de commande des interrupteurs Ka1 et Ka3 sont
complémentaires et ceux de Ka2 et Ka4 sont aussi complémentaires. Lorsque Ka1 est
ouvert en permanence Ka3 est fermé en permanence, de même pour Ka2 et Ka4.
La figure III-7 présente la vitesse de rotation de la MAS, qui atteint la valeur 1454 tr/min
en régime permanent après un régime transitoire réduit (par rapport au cas précédent) dû
au démarrage de la MAS en charge :
Fig. III-7 Vitesse de la MAS entraînée par onduleur 3 niveaux
Le couple électromagnétique Tém de la MAS est donné par la figure III-8 :
0
-0.5
-1
-1.5
0.5
1
Vam Vp2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Vca2
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02
Time (s)
0
0.4
0.8
Vca4
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Time (s)
0
-500
500
1000
1500
2000
Nr
Chapitre III Simulation d’entrainements avec onduleurs deux, trois niveaux et 3/2 en cascade
47
Fig.III-8 Couple électromagnétique de la MAS entraînée par onduleur 3 niveaux
Le courant de phase statorique Isa de la MAS est donné par la figure III-9-a :
Fig. III-9-a Courant de phase statorique de la MAS entraînée
par onduleur 3 niveaux
Le régime permanent sinusoïdal est obtenu par agrandissement de l’échelle selon l’axe
des abscisses et l’axe des ordonnées (Fig. III-9-b) :
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Time (s)
0
-100
100
200
300
400
500
Tem_IM1
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Time (s)
0
-100
-200
-300
100
200
300
Isa
Chapitre III Simulation d’entrainements avec onduleurs deux, trois niveaux et 3/2 en cascade
48
Fig. III-9-b Régime sinusoïdal permanent du courant statorique Isa (ond. 3 niv.)
La valeur efficace du courant statorique est :
Le taux de distorsion harmonique du courant dans ce cas, est :
Ce taux est amélioré par rapport au cas précédent.
La tension d’une phase statorique Vsa de la MAS est représentée par la figure III-10 :
Fig. III-10 Tension simple Vsa de la MAS entraînée par onduleur 3 niveaux
La valeur efficace de la tension simple est :
Le taux de distorsion harmonique de la tension dans ce cas, est :
Ce taux est très réduit (50 % environ) par rapport au cas précédent.
0.57 0.58 0.59 0.6
Time (s)
0
-10
-20
-30
10
20
30
Isa
0.57 0.58 0.59 0.6
Time (s)
0
-200
-400
-600
200
400
600
Vsa
Chapitre III Simulation d’entrainements avec onduleurs deux, trois niveaux et 3/2 en cascade
49
III.3.3 Entraînement avec onduleur 3/2 en cascade
a) Commande en Boucle Ouverte (sans régulation de vitesse)
Sur les figures ci-dessous, sont présentées les résultats de simulation da la MAS
alimentée par une hybridation entre un onduleur trois niveaux et un onduleur deux
niveaux (cascade 3/2). L’onduleur trois niveaux est commandé par la MLI à deux
porteuses (double triangle) et celui à deux niveaux est commandé par la MLI sinus-
triangle (à une porteuse). Le schéma de simulation pour ce type d’entraînement sans
régulation de vitesse (en BO), est donné par la figure 3 de l’annexe.
La figure III-11 présente la vitesse de rotation de la MAS, qui atteint la valeur 1454
tr/min en régime permanent :
Fig.III-11 Vitesse de la MAS entraînée en BO par onduleurs 3/2 en cascade
Le couple électromagnétique Tém de la MAS est donné par la figure III-12 :
Fig.III-12 Couple électromagnétique de la MAS entraînée par onduleurs 3/2 en cascade
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Time (s)
0
-500
500
1000
1500
2000
Nr
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Time (s)
0
-100
100
200
300
400
500
Tem_IM2
Chapitre III Simulation d’entrainements avec onduleurs deux, trois niveaux et 3/2 en cascade
50
Le courant de phase statorique Isa de la MAS est donné par la figure III-13-a :
Fig. III-13-a Courant de phase statorique de la MAS entraînée en BO par
onduleurs 3/2 en cascade
Le régime permanent sinusoïdal est obtenu par agrandissement de l’échelle selon l’axe
des abscisses et l’axe des ordonnées (Fig. III-13-b) :
Fig. III-13-b Régime sinusoïdal permanent du courant statorique Isa (cascade
3/2)
La valeur efficace du courant statorique est :
Le taux de distorsion harmonique du courant dans ce cas, est :
Ce taux est légèrement amélioré par rapport au cas de l’entraînement avec l’onduleur à
trois niveaux.
La tension d’une phase statorique Vas de la MAS est représentée par la figure III-14 :
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Time (s)
0
-100
-200
-300
100
200
300
isa1
0.57 0.58 0.59 0.6
Time (s)
0
-10
-20
-30
10
20
30
isa1
Chapitre III Simulation d’entrainements avec onduleurs deux, trois niveaux et 3/2 en cascade
51
Fig. III-14 Tension simple Vsa da la MAS entraînée en BO par
onduleurs 3/2 en cascade
La valeur efficace de la tension simple est :
Le taux de distorsion harmonique de la tension dans ce cas, est :
Ce taux est très peu supérieur par rapport à celui de l’entraînement avec onduleur à trois
niveaux puisque la commande se fait en B.O. (avec des tensions de référence imposées).
b) Commande en Boucle Fermée (avec régulation de vitesse)
Dans ce cas, nous avons appliqué pour l’entraînement de la MAS une commande
vectorielle à flux orienté (FOC) dans le repère (d,q). Pour cette stratégie de commande,
la composante ids du courant contrôle le flux rotorique orienté selon l’axe d (qr = 0) et
la composante iqs contrôle le couple électromagnétique à flux (dr = r) constant.
La commande vectorielle indirecte consiste à laisser la composante ids constante, c-à-d
de fixer sa référence de manière à imposer un flux nominal dans la machine. D’où la
nécessité d’un régulateur (PI) de ce courant pour le maintenir constant et égal à sa
référence (Id_ref).
La référence du courant iqs est pilotée à la sortie d’un régulateur (PI) de vitesse. C’est ce
dernier qui contrôle le couple de référence et donc le courant de référence (Iq_ref).
La figure III-15 résume le schéma du contrôle vectoriel de la MAS avec une régulation de
vitesse et la régulation des deux courants ids et iqs. Les sorties des deux boucles de
courant, sont les tensions de référence vds_ref et vqs_ref dans le repère (d,q) [18].
0.57 0.58 0.59 0.6
Time (s)
0
-200
-400
-600
200
400
600
Vsa
Chapitre III Simulation d’entrainements avec onduleurs deux, trois niveaux et 3/2 en cascade
52
Fig. III-15 Contrôle vectoriel indirect à flux orienté de la MAS
Pour cette commande, la pulsation de glissement est calculée par la relation :
⁄
La somme de la pulsation de glissement avec la vitesse électrique , donne la pulsation
statorique ( ) et en intégrant cette dernière, on obtient l’angle s des transformations de
Park directes et inverses :
∫
Paramètres de simulation de la commande vectorielle à flux orienté [18,19]
Vitesse de référence : Nréf = 1460 tr/min (vitesse nominale),
Courant id de référence : Id_ref = 25 A
Couple de charge : C = 50 Nm (couple nominal)
Paramètres des régulateurs de :
- vitesse : k = 5 ; τ = 0.05 s,
- courant id : k = 0.05 ; τ = 0.001 s. (Ce courant est limité entre – 60 A et + 60 A),
- courant iq : k = - 0.005 ; τ = 0.001 s.
Les tensions de référence vds_ref et vqs_ref sont limitées entre les valeurs – 1.5 V et 1.5 V
Chapitre III Simulation d’entrainements avec onduleurs deux, trois niveaux et 3/2 en cascade
53
Les figures ci-dessous montrent les relevés de simulation d’un entraînement en boucle
fermée (commande vectorielle à flux orienté) de la MAS alimentée par onduleurs 3/2 en
cascade, et dont le schéma de simulation est donné par la figure 4 de l’annexe.
Le courant de phase statorique Isa de la MAS est donné par la figure III-16-a :
Fig. III-16-a Courant de phase statorique de la MAS entrainée en BF
Le régime permanent presque sinusoïdal du courant statorique Isa, est atteint après un
appel de courant moins élevé, dans ce cas. Ce régime sinusoïdal est obtenu par
agrandissement de l’échelle selon l’axe des abscisses et l’axe des ordonnées (Fig. III-16-
b) :
Fig. III-16-b Régime sinusoïdal permanent du courant statorique Isa
La valeur efficace du courant statorique est :
Le taux de distorsion harmonique du courant dans ce cas, est :
Ce taux reste encore acceptable.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Time (s)
0
-50
-100
50
100
isa1
0.96 0.97 0.98 0.99 1
Time (s)
0
-20
-40
20
40
isa1
Chapitre III Simulation d’entrainements avec onduleurs deux, trois niveaux et 3/2 en cascade
54
La tension d’une phase statorique Vsa de la MAS est représentée par la figure III-17 :
Fig. III-17 Tension simple Vsa de la MAS entrainée en BF
La valeur efficace de la tension simple est :
Le taux de distorsion harmonique de la tension dans ce cas, est :
Ce taux est très amélioré par rapport au cas de l’entraînement en BO avec onduleurs 3/2
en cascade.
III.4 Comparaison et interprétations des résultats de simulation
Le tableau suivant montre une comparaison entre les valeurs efficaces des
grandeurs mesurées (pour courant et tension de phase) et aussi entre les THD de chaque
grandeur selon le type d’entraînement considéré de la MAS.
Types
Grandeurs
Onduleur deux
niveaux
Onduleur trois
niveaux
Onduleurs 3/2 en cascade
En B.O. En B.F.
Courant Isa (A)
THD (en %) du
courant
Tension Vas (V)
THD (en %) de
la tension
Tab. III-1 Comparaison selon le type de l’onduleur d’entraînement de la MAS
0.96 0.97 0.98 0.99 1
Time (s)
0
-200
-400
200
400
Vas
Chapitre III Simulation d’entrainements avec onduleurs deux, trois niveaux et 3/2 en cascade
55
Nous remarquons que :
- Les valeurs efficaces du courant de phase statorique, selon le type d’entraînement
considéré, sont très proches de la valeur nominale.
- Le THD du courant est amélioré pour le cas d’entraînement de la MAS avec un
onduleur trois niveaux par rapport à celui à deux niveaux. Une légère amélioration du
THD du courant pour le cas d’entraînement avec la cascade 3/2 en BO, mais on
remarque une petite augmentation (acceptable) de ce taux pour l’entraînement en BF
avec ce même convertisseur.
- Les valeurs efficaces de la tension de phase statorique sont proches de la valeur
nominale pour tous les types d’onduleurs considérés.
- Pour le THD de la tension, une grande amélioration surtout pour l’entraînement en BF
avec onduleurs 3/2 en cascade par rapport aux autres types d’entraînement.
III.4 Conclusion
Dans ce chapitre nous avons présenté des simulations pour des entrainements
d’une MAS avec trois types des onduleurs multi-niveaux (deux, trois niveaux et une
cascade 3/2) commandés en BO, par modulation sinus-triangle, et en BF (commande
vectorielle à flux orienté) pour le cas des onduleurs 3/2 en cascade. Nous avons pu
remarqué :
- Une bonne amélioration du THD du courant et de la tension de phase statoriques,
pour le type d’entraînement en BO avec onduleur trois niveaux par rapport aux autres
types.
- Une grande amélioration du THD de la tension de phase pour le cas d’entraînement en
BF (à commande vectorielle) de la MAS avec onduleur hybride 3/2 en cascade.
Conclusion générale
56
Conclusion générale
Le travail présenté ce mémoire a porté essentiellement sur l’étude d’un onduleur
multi-niveau en cascade de type 3/2 qui est une hybridation entre un onduleur trois
niveaux de type NPC et un onduleur deux niveaux, permettant l’entrainement d’une
machine asynchrone à cage (MAS) comme charge. Cette étude nous a permis de :
- Comprendre le principe de fonctionnement et la modélisation, surtout de l’onduleur
trois niveaux de type NPC employé dans la cascade hybride 3/2.
- D’appliquer deux techniques de commande à MLI (sinus-triangle et vectorielle en
boucle fermée). La commande à MLI de l’onduleur trois niveaux, nécessite deux
porteuses triangulaires (l’une positive et l’autre négative) pour pouvoir commander
les quatre interrupteurs de chaque bras de ce type de convertisseur. Par contre la
commande MLI de l’onduleur deux niveaux, nécessite une porteuse triangulaire
(alternative) pour commander les deux interrupteurs de chaque bras de cet onduleur.
- De Simuler différents entrainements d’une MAS alimentée par trois types d’onduleurs
(à 2 niveaux, à 3 niveaux et une cascade hybride 3/2) et de déterminer les différences,
surtout du point de vue THD du courant et de la tension à la sortie des différents
onduleurs considérés. La commande en boucle fermée (commande vectorielle à flux
orienté) de la MAS, entraînée avec un onduleur hybride 3/2 en cascade, a permis
d’améliorer le THD de la tension de sortie par rapport aux autres types d’onduleurs
considérés et de garder un niveau acceptable pour le THD du courant.
Pour la suite de ce travail, nous proposons :
- L’application d’autres techniques de commande plus performantes pour ce type
d’onduleur, dans le but d’améliorer davantage les THD du courant et de la tension
alimentant la charge considérée.
- L’emploi de la topologie hybride 3/2 en cascade ou d’autres topologies d’onduleurs
multi-niveaux pour l’amélioration du facteur de puissance dans les installations
électriques de moyenne et de grande puissance.
Bibliographie
57
[1] K.V. Patil, R.M. Mathur, J. Jiang, S.H. Hosseini, «Distribution System
Compensation Using a New Binary Multilevel Voltage Source Inverter », IEEE
Transactions on Power Delivery, Vol. 14, N°2, pp. 459-464, April 1999.
[2] Anne Marie LIENHARDT, « Etude de la Commande et de L’Observation d’une
Nouvelle Structure de Conversion d’Energie de Type SMC (Convertisseurs
Multicellulaire Superposé) », Thèse de Doctorat, Institut National Polytechnique de
Toulouse, 2006.
[3] K.A TEHRANI, « Conception, Synthèse et Application d’une Nouvelle Commande
Robuste par PID Fractionnaire pour Les Onduleurs Multi-niveaux », Thèse de Doctorat,
l’Institut Nationale Polytechnique de Lorraine, 2010.
[4] R. Kraus, « Status and Trends of Power Semiconductor Device Models for Circuit
Simulation », IEEE Trans.Power Electronics, Vol. 13, pp. 452-465, May 1998.
[5] Jean. Sébastien MARIETHOZ, « Etude Formelle pour la Synthèse de
convertisseurs Multi-niveaux Asymétriques: Topologies, Modulation et Commande »,
Thèse de doctorat, Ecole Polytechnique fédérale de Lausanne, 2005.
[6] H. Ben Zemamouche, « Application de la MLI Vectorielle aux Onduleurs Multi-
niveaux à base de GTO et d’IGBT », Thèse de magister, Université Madji Moukhtar,
Annaba, 2010.
[7] P. Purkait, R.S. Sriramakavacham, « A New Generalized Space Vector Modulation
Algorithm for Neutral Point Clamped Multilevel Converters », Progress in
Electromagnetics Research Symposium, Cambridge, pp. 330-335, March 2006.
Bibliographie
58
[8] O. Bouhali, «contribution des convertisseurs multi-niveaux au raccordement de la
production d'origine éoliennes sur un réseau électrique», Thèse de doctorat, Ecole
Nationale Polytechnique, Ecole Centrale de Lille, 2007.
[9] H. Brighen, S. Halaimia « Etude et analyse de la commande des onduleurs Multi-
niveaux par MLI sinusoïdale », Universite Larbi Tebssi, Tebessa, 2016.
[10] H. Gheraia. E. M. Berkouk, G. Manesse, « Modelling and Control of a Seven
Level NPC Voltage Source Inverter, Application to High Power Induction Machine
Drive», The European Phsical Journal, AP 15, pp. 105- 115, 2001.
[11] T. SKVARENINA, « Power Electronics HANDBOOK » , Purdue University
West Lafayette, Indiana, © 2002 by CRC Press LLC.
[12] V. G. Agelidis, H. c. Goh, « Low Distortion Variable Level PWM Technique »,
IEEE Proc-Electr. Power Appl, Vol. 145, N°2, pp. 73-78, March 1998.
[13] A. Sarinar Toled, « Commande Directe et Observation des convertisseurs de
puissance : Application à l’Onduleur de tension Triphasé », These de Doctorat, Institut
National Polytechnique de Gronoble, France, 2000.
[14] Jean Bonal, Guy Séguier, « Entraînements Electriques a Vitesse Variable»,
Technique et Documentation, Vol. 2, Décembre 1998.
[15] Seo, J. H, C. H. Choi, and D. S. Hyun, « A new Simplified Space-Vector PWM
Method for Three-Level Inverters », IEEE Trans, Power Electronics. Vol.16. 527-534.
July 2001.
[16] Constern-Sünke Berendsen, « Méthodes de Diagnostic dans la Partie
Commande desAssociations Convertisseurs-Machines Tournantes », Thèse de Doctorat
de l’Institut National Polytechnique de Grenoble, 1992.
Bibliographie
59
[17] Derdyok, M. K. Guven, H. Rahman & N. Inane , « Design and implementation of
new sliding-mode observer for speed-sensor less control of induction machine », IEEE
Trans. on Industrial Electronics, Vol 1. n°3, 2002.
[18] T. Benslimane, « Caractérisation Précise des Défauts d’un Variateur de Vitesse en
Vue d’Elaborer un Système Automatique de Surveillance et de Diagnostic », Thèse de
Doctorat, Université de Boumerdès, 2009.
[19] A. Khaldoun, « Commande vectorielle d’un moteur asynchrone à cage avec
adaptation par logique floue de la résistance rotorique et minimisation des pertes
totales », Mémoire de Magister, 2001.
Annexe
60
Annexe
Fig.1 Schéma de simulation pour l’entrainement de la MAS avec un onduleur deux
niveaux
Annexe
61
Fig.2 Schéma de simulation pour l’entrainement de la MAS avec un onduleur trois
niveaux
Annexe
62
Fig.3 Schéma de simulation pour l’entrainement de la MAS avec la cascade 3/2 (boucle
ouverte)
Annexe
63
Fig.4 Schéma de simulation pour l’entrainement de la MAS avec la cascade 3/2 (boucle
fermée).
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