Etude et réalisation d'un onduleur multiniveaux à topologie cascadée

République Algérienne Démocratique et Populaire
Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
Université A.MIRA-BEJAIA
Département de Génie Electrique
MEMOIRE DE MAGISTER
En vue de l’obtention du diplôme de Magister en Génie Electrique
Option : Electrotechnique
Thème
Etude et Réalisation d’un Onduleur Multiniveaux à
Topologie Cascadée
Présenté par
BOUKANDOUL Abdelhalim
Soutenu le : 17/ 11 / 2013 Devant le Jury composé de :
Nom et Prénom Grade
Mr
D.AOUZELLAG
Maître de Conférences à l’université de Bejaia
Président
Mr
K.GHEDAMSI
Maître de Conférences à l’université de Bejaia
Rapporteur
Mr
M.L.BENDAAS
Professeur à l’université de Batna
Examinateur
Mr
K.IDJDARENE
Maître de Conférences à l’université de Bejaia
Examinateur
Promotion 2012/2013

Préface
Le travail présenté dans ce mémoire a été réalisé dans le Laboratoire de métrise des
énergies renouvelables de l’université Abderrahmane Mira Bejaia, sous la direction de Mr
K. GHEDAMSI maître de conférences à l’université de Bejaia.
Je remercie, Mr D. AOUZELLAG, Maître de Conférences à l’université de Bejaia pour
m’avoir fait l’honneur de présider le jury de ce mémoire.
Mes remerciements vont également à : Mr M.L. BENDAAS Maître de Conférences
à l’université de Batna et Mr K. IDJDARENE Maître de Conférences à l’université de
Bejaia pour l’honneur qu’ils m’ont fait en acceptant d’examiner et de juger ce travail.
Je tiens à exprimer ma profonde gratitude et mes sincères remerciements à mon pro-
moteur, Mr K. GHEDAMSI, maître de conférences à l’université de Bejaia. Je tiens à le
remercier tout particulièrement pour m’avoir fait bénéficier de son savoir, son expérience,
et son soutien moral.
Je tiens à témoigner à Mr S.M.A. Abdi, enseignant à l’université de Bejaia, ma re-
connaissance pour m’avoir aidé et contribué au bon déroulement de ce projet. Ainsi, une
partie de ce mémoire lui doit aussi.
J’exprime toute ma reconnaissance à mes parents qui m’ont encouragé tout au long de
ces années d’études. Qu’ils reçoivent ici ma profonde gratitude pour leurs innombrables
sacrifices. Merci.
Un grand merci à ma chère fiancée Radia pour son soutient moral, et ses encourage-
ment dans les moments de doute, tout le mérite revient à elle.
Je remercie sincèrement mes amis et ma famille (cousins, oncles, frères, sœur, et nièces)
pour leur encouragements et soutien tout au long de ces années, pour leur confiance sans
failles dans ce travail et pour tous les très bons moments partagés.
Enfin, merci à toutes les personnes que je n’ai pas citées et qui ont de près ou de loin
participé à la réalisation de ce travail. Merci pour leur sympathie et simplement pour le
plaisir que j’ai eu à les côtoyer quotidiennement.

Table des matières
Préface I
Abréviations VIII
Introduction générale 2
1 État de l’art sur les convertisseurs multiniveaux 4
1.1 Introduction ................................... 5
1.2 Historique et avantages des structures de conversion multiniveaux ..... 5
1.2.1 Historique ................................ 5
1.2.2 Avantages ................................ 6
1.3 Différentes structures d’onduleur multiniveaux ................ 7
1.3.1 Onduleur multiniveaux à structure cascadé .............. 7
1.3.2 Onduleur multiniveaux à structure NPC (Neutrl Point Clamped) . 11
1.3.3 Onduleur à structure multicellulaires ................. 17
1.4 Application des onduleurs multiniveaux dans le domaine industriels . . . . 21
1.4.1 Application dans le domaine de la traction ferroviaire et véhicule
électrique ................................ 22
1.4.2 Application dans l’alimentation des réseaux de bord et de propulsion
des bâtiments maritimes ........................ 24
1.4.3 Application dans le domaine des réseaux électriques ......... 25
1.4.4 Application dans le domaine de l’alimentation des machines élec-
triques .................................. 26
1.5 Comparaison des topologies multiniveaux ................... 27
1.6 Conclusion .................................... 28
2 Modélisation et stratégies de commande d’un convertisseur multi-niveaux
à topologie cascadée 30
2.1 Introduction ................................... 31
2.2 Modélisation du convertisseur pont en H cascadé ............... 31
2.3 Stratégie de commande des convertisseurs multiniveaux ........... 33
2.3.1 Classification des stratégies de commande .............. 33
2.3.2 Commutation à fréquence fondamentale ............... 34
2.3.3 Modulation à fréquence de commutation mixte ............ 40
2.3.4 Commutation à haute fréquence .................... 40
2.4 Conclusion .................................... 52

TABLE DES MATIÈRES III
3 Implémentation virtuel de la commande SHE sur la carte FPGA 53
3.1 Introduction ................................... 54
3.2 Circuits logiques programmables ........................ 54
3.3 Technologies de mémorisations ........................ 55
3.4 Architecture des FPGA’s ............................ 55
3.4.1 Configuration des FPGA’s ....................... 58
3.4.2 Classification des FPGA’s ....................... 59
3.4.3 Performances des interconnexions ................... 60
3.4.4 Chaine de développement ....................... 60
3.4.5 Architecture des FPGA’s Spartan-3AN ................ 61
3.4.6 Avantages et inconvénient des FPGA’s ................ 62
3.4.7 Les fabricants des FPGAs ....................... 62
3.5 Implémentation de la commande SHE sur la carte FPGA .......... 63
3.5.1 Différentes parties du programme SHE ................ 63
3.5.2 Equilibrage de l’onduleur ....................... 64
3.5.3 Test du programme par simulation .................. 66
3.5.4 Implantation matériel sur FPGA du programme SHE ........ 67
3.6 Conclusion .................................... 69
4 Réalisation du banc d’essais et résultats expérimentaux 70
4.1 Introduction ................................... 71
4.2 Description générale .............................. 71
4.2.1 Partie puissance ............................. 72
4.2.2 Partie protection ............................ 73
4.3 Tests expérimentaux .............................. 75
4.3.1 Résultats d’équilibrage de l’onduleur en pratique ........... 76
4.3.2 Fonctionnement de l’onduleur sur charge R, L ............ 77
4.4 Conclusion .................................... 82
Conclusion et perspectives 84
Annexes 87
Référence Bibliographique 91
Résumé 94

Table des figures
1.1 Pont en H complet. ............................... 7
1.2 Structure et forme d’onde d’un onduleur multiniveaux pont H en cascade. . 8
1.3 Bras d’un onduleur polygonal à N-niveaux. .................. 9
1.4 Onduleur de tension triphasé 4-niveaux dérivé d’une association de 3 on-
duleurs triphasés 2-niveaux ........................... 10
1.5 Bras d’un onduleur NPC à N-niveaux ..................... 11
1.6 Bras d’un onduleur NPC à 3-niveaux ..................... 12
1.7 Principe de la topologie NPC ......................... 14
1.8 Structure pyramidale de la topologie NPC .................. 15
1.9 Variantes de la topologie à potentiel distribué ................ 16
1.10 Bras d’un onduleur multicellulaire à N-niveaux ................ 17
1.11 Onduleur monophasé à capacité flottante à N-niveaux ............ 18
1.12 Onduleur à capacité flottante ......................... 19
1.13 Convertisseurs multiniveaux dans la traction ferroviaire. .......... 22
1.14 Système de configuration d’un variateur pour véhicule électrique utilisant
un onduleur à structure pont H en cascade. .................. 23
1.15 Onduleurs multiniveaux dans les bâtiment maritimes. ............ 24
1.16 Générateur d’un pétrolier comportant deux convertisseurs NPC 3-niveaux
Back-to-Back. ................................. 25
2.1 Convertisseur triphasé 7-niveaux à structure pont H cascadé. ........ 31
2.2 Classification des stratégies de commande des onduleurs multiniveaux. . . 34
2.3 Principe de la modulation SVM d’un onduleur 5-niveaux. .......... 35
2.4 Résultats de simulation de la modulation à élimination sélective des har-
moniques pour ma= 0.8............................. 38
2.5 Résultats de simulation d’un onduleur CHB avec la commande élimination
sélective des harmoniques pour ma= 0.8.................... 39
2.6 Modulation hybride (a) convertisseur hybride, (b) tension de sortie et réfé-
rence de l’étage basse fréquence (c) tension de sortie et référence de l’étage
haute fréquence (d) tension de sortie totale et référence. .......... 41
2.7 MLI à phases décalés pour un onduleur CHB 7-niveaux ( mf= 3,ma= 0.8,
fm= 50Hz et fcr = 150Hz). ......................... 44
2.8 Résultat de simulation d’un onduleur CHB 7-niveaux avec MLI à phases
décalés pour : ( mf= 9,ma= 1,fm= 50Hz et fcr = 450Hz). ....... 45
2.9 Les systèmes de modulation multi-porteuses à niveau décalé. ........ 47
2.10 MLI à niveaux décalés pour un onduleur CHB 7-niveaux ( mf= 18,ma=
0.8,fm= 50Hz et fcr =fm×mf= 900Hz). ................. 48