See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/264340946 ASSOCIATION ONDULEUR À TROIS NIVEAUX A STRUCTURE NPC MACHINE ASYNCHRONE À DOUBLE STATOR Conference Paper · January 2004 DOI: 10.13140/2.1.1779.5206 CITATION READS 1 2,418 4 authors: D. Beriber El Madjid Berkouk University of Science and Technology Houari Boumediene National Polytechnic School of Algiers 14 PUBLICATIONS 130 CITATIONS 270 PUBLICATIONS 1,859 CITATIONS SEE PROFILE SEE PROFILE M.O. Mahmoudi Talha Abdelaziz Ecole Nationale Polytechnique - Alger University of Science and Technology Houari Boumediene 96 PUBLICATIONS 352 CITATIONS 28 PUBLICATIONS 94 CITATIONS SEE PROFILE SEE PROFILE Some of the authors of this publication are also working on these related projects: Power Electronics Applications View project Hybrid renewable energy conversion systems connected to the utility grid and supervisory controller system View project All content following this page was uploaded by El Madjid Berkouk on 30 July 2014. The user has requested enhancement of the downloaded file. JTEA 2004, 20-21-22 mai 2004, Tunisie ASSOCIATION ONDULEUR À TROIS NIVEAUX A STRUCTURE NPC MACHINE ASYNCHRONE À DOUBLE STATOR D. Beriber *, E. M. Berkouk *, M. O. Mahmoudi *, A. Talha ** Thème :2 *Laboratoire de Commande des Processus. DER Génie Electrique et Informatique. Ecole Nationale Polytechnique d'Alger − 10, rue Hassen Badi, El Harrach, Alger, ALGERIE − BP 182 E-mail : [email protected] ** Université des Sciences et de la Technologie Houari Boumediene (ITS), B.P.32, El-Alia, 16111 Bab-Ezzouar, Alger. E-mail : [email protected] Résumé : Dans cet article, nous présentons un nouvel onduleur de tension multiniveaux : onduleur à trois niveaux à structure NPC (Neutral Point Clamping) utilisé dans les domaines de haute tension et forte puissance. Dans la première partie, nous présentons le modèle de la machine asynchrone à double stator (MASDS). Dans la seconde partie, nous élaborons le modèle de fonctionnement de cet onduleur sans à priori sur sa commande en utilisant la méthode DESIGN associée aux réseaux de Petri[2][5]. En suite, nous proposons un modèle de connaissance de l’onduleur en utilisant les fonctions de connexion des interrupteurs et celles des demi-bras. Pour cela, nous proposons une commande complémentaire optimale. Une stratégie de commande MLI de l’onduleur à trois niveaux est développée. Pour application, nous étudions les performances de la commande en vitesse d’une machine asynchrone à double stator alimentée par ce nouvel onduleur. Les performances obtenues montrent l’utilité d’utilisation de cet onduleur dans les domaines qui nécessitent des tensions et/ou des puissances élevées tels que la traction électriques. Mots clés : Réseau de Petri, multiniveaux, MASDS, Modulation vectorielle. Les performances de cet algorithme sont analysées sur la base de la caractéristique de réglage et du taux d’harmoniques. Pour application, nous étudions les performances de la commande en vitesse d’une machine asynchrone à double stator alimentée par ce nouvel onduleur. Les performances obtenues montrent l’utilité d’utilisation de cet onduleur dans les domaines qui nécessitent des tensions et/ou des puissances élevées tels que la traction électriques. 2. Modélisation de la machine asynchrone à double stator : La machine asynchrone triphasée à double stator est une machine qui comporte deux stators fixes déphasés entre eux d’un angle γ =30° et un rotor mobil. Le stator de cette machine est composé de trois enroulements identiques à p paires de pôles, leurs axes sont décalés entre eux d’un angle électrique égal à 2π/ 3 dans l’espace (figure1). NPC, 1. Introduction : Dans cet article, nous présentons un nouvel onduleur de tension multiniveaux : onduleur de tension à trois niveaux à structure NPC utilisé dans les domaines de haute tension et forte puissance. Ainsi, on commencera par présenter le modèle de la machine asynchrone à double stator (MASDS). En suite, nous élaborons le modèle de fonctionnement de cet onduleur sans a priori sur sa commande, en utilisant la méthode DESIGN associée au réseau de Petri [4][5][6]. Pour cela, nous proposons une commande complémentaire optimale et son modèle de connaissance en utilisant les fonctions de connexion des interrupteurs et celles des demi-bras. Une stratégie de commande de l’onduleur à trois niveaux est développée. Figure 1. Représentation des enroulements de la machine asynchrone a double stator Le modèle de la machine asynchrone à double stator dans le repère de Park est représenté par la figure2. JTEA 2004, 20-21-22 mai 2004, Tunisie Lm [ϕrd.(isq1 + isq1) − ϕrq.(isq1 + isd1)] (3) Lm + Lr Cem = p Notation : rs1 : résistance du premier stator rs2 : résistance du deuxième stator rr : résistance rotorique. Ls1 , Ls2 , Lr : inductances de fuites du rotor et des stators Lm : inductances mutuelles p : nombre de paires de pôles de la machine. Figure 2. Représentation des enroulements de la machine dans le repère de Park Les équations électrique de la machine asynchrone à double stator s’écrivent comme suit : dö sd 1 V sd 1 = rs1 .i sd 1 + dt − ùö sq 1 dö V sq 1 = rs1 .i sq1 + sq1 + ùö sd 1 dt dö sd 2 − ùö sq 2 V sd 2 = rs 2 .isd 2 + dt dö V sq 2 = rs 2 .isq 2 + sq 2 + ùö sd 2 dt dö rd V rd = rr .ird + dt − ù gl .ö rq dö V rq = rr .irq + rq + ù gl .ö rd dt 3. Modélisation de l’onduleur de tension à trois niveaux à structure NPC : 3.1. Structure générale de l’onduleur à trois niveaux : La structure de l’onduleur à trois niveaux de type NPC est donnée par la figure3. Cette structure se compose de trois bras symétriques constitués chacun de quatre interrupteurs en série et deux autre en parallèles, plus deux diodes permettant l’obtention du zéro de la tension Vkm. Chaque interrupteur est composé d’un interrupteur bicommandable et d’une diode montée en tête bêche. Id1 (1) T 12 D12 T K22 UC1 DD11 D11 T 32 D32 DD31 DD21 T 11 T 21 D21 T 31 D31 Id0 M A Les relations entre les flux et les courants sont données par : ϕsd 1=Ls1.isd 1+ Lm (isd 1+isd 2 +ird ) ϕ =L .i +L (i +i +i ) sq1 s1 qd1 m sq1 sq 2 rq ϕsd 2 =Ls 2.isd 2+ Lm (isd 1+isd 2 +ird ) ϕsq 2 =Ls 2 .isq 2 +Lm (isq1+isq 2 +irq ) ϕ =L .i + L (i +i +i ) rd r rd m sd 1 sd 2 rd ϕrq =Lr .irq +Lm (isq 1+isq 2 +irq ) D22 T 13 D13 DD10 (2) Le couple électromagnétique est donné par l’expression suivante : UC2 T 14 Id2 B IA T 23 D23 DD20 D14 VA T 24 C IB T 33 IC D33 DD30 D24 VB T 34 D34 VC Figure3. Structure Générale de l’onduleur à trois niveaux Afin d’élaborer les différentes configurations de l’onduleur à trois niveaux, sans a priori sur la commande, et réduire le nombre de places du réseau de Petri JTEA 2004, 20-21-22 mai 2004, Tunisie correspondant, on considère les hypothèses simplificatrices suivantes [1][3][9] : - Chaque paire transistor–diode est représentée par un seul interrupteur bidirectionnel supposé idéal. - Vue la symétrie de la structure de l’onduleur triphasé à trois niveaux, la modélisation de ce dernier se fait par bras. L’analyse topologique d’un bras de l’onduleur à trois niveaux montre qu’il existe cinq configurations possibles pour ce dernier (figure 4). UC1 M DDK1 K TDK2 UC1 TDK1 IK M DDK1 K TDK3 UC2 TDK4 Configuration E 0 UC1 M UC1 TDK1 IK DDK0 DDK1 K TDK4 TDK2 DDK0 TDK4 R 02 R 20 R13 R 41 R 31 R R 04 R 32 R 03 R 30 R 34 E4 R 23 E3 R 43 Figure5. Réseau de Petri série de fonctionnement d’un bras de l’onduleur triphasé à trois niveaux à structure NPC TDK4 Configuration E 3 Configuration E 2 M R 01 E0 TDK1 IK UC2 UC1 R10 R14 E2 R 21 TDK3 TDK3 UC2 DDK0 R12 E1 Configuration E 1 DDK1 TDK2 K TDK1 IK L’analyse fonctionnelle réalisée au moyen du formalisme de Petri consiste à dénombrer les configurations physiquement réalisables, à attribuer à chacune d’entre elles un modèle électrique équivalent et à définir les conditions de changement des configurations. Ces conditions de transition donnent les réceptivités du réseau de Petri de fonctionnement de ce bras. Elles sont des fonctions logiques entre [2][5][9] : − Une commande externe BKS (l’ordre d’amorçage ou de blocage du semi-conducteur). − Une commande interne définie par les signes du courant du bras et des tensions aux bornes des semi-conducteurs de ce bras [2][5]. TDK3 UC2 DDK0 TDK2 3.2. Réseau de Petri d’un bras d’onduleur : DDK1 K TDK2 TDK1 IK TDK3 UC2 DDK0 TDK4 Configuration E 4 Figure4. Différentes configurations du bras K de l’onduleur à trois niveaux 3.3. Modèle de connaissance et de commande : La fonction de connexion (FKS) de chaque interrupteur décrit son état fermé ou ouvert. Cette fonction est définie comme suite : 1 F KS = 0 si TD KS est fermé si TD KS est ouvert (4) Pour éviter la conduction simultanée des quatre interrupteurs d’un seul bras qui peut engendrer leur destruction par croissance du courant lors du court-circuit ou par une surtension dans le cas de l’ouverture de tous les interrupteurs, on définit une commande complémentaire des différents semi-conducteurs d’un bras de l’onduleur à trois niveaux. Plusieurs commandes complémentaires sont possibles pour un onduleur à trois niveaux. La commande la plus optimale est la suivante : JTEA 2004, 20-21-22 mai 2004, Tunisie B K 4 = B K 1 B K 3 = B K 2 (5) Nous définissons la fonction de connexion du demib bras F km telle que: K : numéro du bras (K=1, 2, 3) 0 m = 1 pour le demi − bras du bas pour le demi − bras du haut 4. Stratégie de commande de l’onduleur à trois niveaux à structure NPC : b La fonction FKm vaut «1» dans le cas où les quatre interrupteurs du demi–bras sont tous fermés, et nulle dans tous les autres cas. Les tensions de sortie de l’onduleur à trois niveaux par rapport au point milieu M s’expriment comme suit : b F10b VAM F11 V = F b U − F b U BM 21 C 1 20 C 2 F30b VCM F31b (6) D’après ce système, on peut déduire que l’onduleur à trois niveaux est une mise en série de deux onduleurs à deux niveaux. La figure6 représente le modèle de connaissance global de l’onduleur à trois niveaux en mode commandable associé à une charge triphasée et deux sources de tension continue. A partir de cette figure, on distingue deux parties : Partie commande [BKS] [FbKm] Réseau de Petri [N(t)] Relation de concersion Bloc discontinu UC1 U C2 i1 i2 i 3 VA VB V C id1 id2 id3 id0 Partie opérative Bloc continu (model d’état de la charge et de la source d’entrée du convertisseur La partie de commande est représentée par le réseau de Petri de fonctionnement de l’onduleur en mode commandable. Cette partie génère la matrice de conversion [N(t)]. La partie opérative est constituée d’un bloc discontinu délivrant les entrées internes générées par le convertisseur à partir de ses variables d’état et de la matrice de conversion [M(t)], et d’un bloc continu qui représente le modèle d’état de la charge de l’onduleur et de sa source de tension d’entrée. UC1 U C2 i1 i2 i 3 Dans cette partie, nous présentons un type de stratégie de la modulation vectorielle à deux porteuses bipolaires pour la commande de l’onduleur à trois niveaux [4][6][7][10]. Son principe est identique à celui de la stratégie triangulo–sinusoïdale à échantillonnage régulier avec injection de l’harmonique trois [3] [7]. On définit à partir du vecteur de référence VSref , VSref = ( V ref 1 , V ref 2 , Vref 3 ) t , deux nouveaux vecteurs de référence VSref 1 et V Sref 0 . Le vecteur de référence VSref 1 est associé à l’onduleur à deux niveaux constitué des demi bras du haut de l’onduleur multiniveaux, alors que le vecteur V Sref 0 est associé au demi bras du bras. Ces deux nouveaux vecteurs de référence sont définis par le système d’équations suivant : VSref 1 [ i ] = VSref [ i ] + V 0 (7) VSref 0 [ i ] = VSref [ i ] − V 0 avec i = 1 , 2 , 3 La tension V0 est donnée par l’expression suivante : V0 = − [max (V Sref ) + min (V Sref )] (8) 2 Cette stratégie est caractérisée par deux paramètres [4][6][7] ][8][10]. −L’indice de modulation «m » défini comme étant le rapport de la fréquence f p de la porteuse à la fréquence f de la tension de référence m = fp f . −Le taux de modulation ou coefficient de réglage de tension r = Vm . 3Upm Les différents signaux de cette stratégie sont donnés par la figure7. JTEA 2004, 20-21-22 mai 2004, Tunisie 1,2 1 Taux et amplitude des harmoniques 0,8 0,6 Rang des harmoniques 0,4 0,2 r 0 Figure7. Les différents signaux de la modulation vectorielle pour m = 6 , r = 0,8 0 0,3 0,9 1,2 1,5 Figure 10. Les caractéristiques de sortie de l’onduleur de tension à trois niveaux commandé par la modulation vectorielle (m=9, r=0.8) 5. SIMULATION : § 0,6 Zoom Les figures 8 et 9 représentent la tension de l’onduleur triphasé à trois niveaux et son spectre d’harmoniques commandé par la modulation vectorielle respectivement pour (m = 9 et 24 avec r = 0,8 et f = 50 Hz ). § La figure10 représente le taux d’harmoniques en fonction du taux de modulation pour m = 9 . § La figure11 représente les performances de la conduite de la machine asynchrone à double stator lors d’un réglage de la vitesse pour m = 9 . TAUX / FONDAMENTAL Zoom 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Figure 11. Performances de la conduite de la MASDS alimentée par deux onduleurs à trois niveaux commandés par la stratégie de modulation vectorielle à deux porteuses bipolaires avec application d’un couple résistant entre 1,5 et 2,5 ms (Cr =14Nm) 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 Interprétation : RANG DES HARMONIQUES Figure 9. La tension simple VA , et son spectre de l’onduleur à trois niveaux commandé par la modulation vectorielle (m=24, r=0.8) − Pour toutes les valeurs l’indice de modulation « m », il y a une symétrie dans la tension simple VA par rapport au quart de sa période, donc seul les harmoniques impaires existent, et se regroupent en familles centrées autour des JTEA 2004, 20-21-22 mai 2004, Tunisie fréquences multiples de 2mf. La première famille centrée autour de 2mf est la plus importante du point de vue amplitude. − L’augmentation de l’indice de modulation « m » permet de pousser les harmoniques vers des fréquences élevées et donc facilement filtrés ; − Le taux de modulation « r » permet un réglage linéaire de l’amplitude du fondamental jusqu’à r max = 1,15 (Figure10); − Le taux d’harmoniques diminue quand r augmente (Figure10). Les performances de la conduite de la machine asynchrone à double stator lors d’un réglage de vitesse montrent que : Le couple électromagnétique varie d’abord d’une façon brusque au démarrage de la machine dépassant les 95Nm ensuite se stabilise en régime permanent établi après 0.6s. Les flux rotoriques en quadratures et directes sont directement affectés ce que explique le fort couplage entre le couple et la vitesse d’une part et les flux rotorique d’autre part. La vitesse atteint sa valeur de référence 314 rd/sec au bout de 0.59s. 6. Conclusion : Nous avons présenté dans cet article la modélisation et la commande d’un onduleur de tension triphasé à trois niveaux à structure NPC. La modélisation de l’onduleur a permis de montrer que ce dernier est équivalent à deux onduleurs à deux niveaux. Cette caractéristique nous a permis d’extrapoler les modèles déjà élaborés pour ces derniers. L’étude des caractéristiques de la tension de sortie de l’onduleur, a montré qu’elle présente des harmoniques faibles. Les harmoniques de la tension se regroupent en familles centrées autour des fréquences multiples de 2mf. La stratégie de la modulation vectorielle utilisant deux porteuses bipolaires permet d’élargir la zone linéaire de réglage de la tension de sortie de l’onduleur d’environ de 15°/ °. La commande de vitesse de la MASDS alimentée par l’onduleur à sept niveaux a donné des bonnes performances dynamiques et ouvre un champ intéressant quant à l’utilisation de ce type d’onduleur dans les domaines de fortes puissances tels que la traction électrique. View publication stats 7. Références : [1] H. Foch et al, Imprecated cells multi-level voltage source inverters for high voltage applications", EPE Journal, Vol 3, N°2 June 1993. [2] E.M. Berkouk , "Contribution à la conduite des machines asynchrones monophasée et triphasée alimentées par des convertisseurs directs et indirects. Application aux gradateurs et onduleurs multiniveaux", PHD thesis, Paris, 1995. [3].E.M. Berkouk et al, "Knowledge and control models for three-level voltage inverters", International Journal "systems Analysis Modelling Simulation" (SAMS) published by "Gordon and Breach Science Publishers", Volumes 18-19 pages 511-521, 1995. [4]E.M. Berkouk et al, "PWM Strategies to control threelevel inverters. Application to the induction motors drive", EPE'95, Spain, September 1995. [5] Y. Ben Romdhane et al, "Elaboration and comparison of different methods for neutral point voltage control of NPC inverter", IEEE Conference, Stockholm, June 1995. [6] G. Joos et al, "Similarities between forward and feedback PWM techniques for voltage source inverters", IMACS'91, Morocco 1991. [7] J. K.Steinke," Control strategy for a three phase AC traction drive with three-level GTO PWM inverter", PESC'88, Kyoto 1988. [8] A. Talha, E. M. Berkouk, G. Manesse,"Four PWM strategies of seven levels voltages source inverters. Application to the PMSM speed control. ", CICEM, Chine 1999 [9] A. Talha, E. M. Berkouk, G. Manesse, "Modélisation et commande de l’onduleur a sept niveaux a structure NPC. Application a la MSAP commandée en vitesse. "Conférence Maghrébine en génie électrique. CMGE ’99 Constantine 1999. [10] A. Talha, E. M. Berkouk, G. Manesse, "La stratégie de la modulation vectorielle d’un onduleur a sept niveaux a structure NPC. Application a la commande de vitesse d’une MSAP " CNGE ’99 BIskra 1999.
