Partie 1 - Biblioweb - Université de Cergy

ECOLE DOCTORALE SCIENCES ET INGENIERIE
de l’université de Cergy-Pontoise
THESE
Présentée pour obtenir le grade de docteur d’université
Spécialité : GENIE ELECTRIQUE
Commande et Détection de défaillance d’un
Convertisseur Multicellulaire Série
par
Olivier BETHOUX
ECS : Equipe Commande des Systèmes
Le jeudi 27 octobre 2005
Devant le jury composé de :
Monsieur Jean-Paul Hautier Président
Monsieur Maurice Fadel Rapporteur
Monsieur Alain Glumineau Rapporteur
Monsieur Jean-Pierre Barbot Directeur de thèse
Monsieur Claude Marchand Examinateur
Monsieur Jean-Luc Thomas Examinateur
Monsieur Serge Poullain Invité

A Monsieur Gilli
qui a semé la première graine
A Abel et Zélie,
alpha et oméga de notre famille
A Lauren et Lucien
qui en sont déjà la continuation

Avant-propos
Le travail présenté dans ce mémoire a été réalisé au sein de l’Equipe Commande des
Systèmes (E.C.S.) sous la direction de Jean-Pierre Barbot, Professeur à l’Ecole Nationale de
l’Electronique et de ses Applications (E.N.S.E.A.) de Cergy-Pontoise.
Je tiens tout d’abord à remercier tous les membres du jury pour l’honneur qu’ils m’ont fait de
participer à l’examen de ma thèse. Je remercie en particulier :
Monsieur Jean-paul Hautier, Professeur à l’Ecole Supériseure des Arts et Métiers
(ENSAM) pour l’honneur qu’il m’a fait en acceptant de participer au jury de thèse et d’en être
le président. Par la qualité de son enseignement, il a largement contribué à l’orientation
définitive dans le domaine du Génie Electrique d’un élève du DEA de l’USTL nommé Olivier
Béthoux. La boucle est donc ainsi bouclée ; et cet aspect de la transmission est pour moi
chargé de sens.
Monsieur Maurice Fadel, Professeur à l’Ecole Nationale Supérieure
d’Electrotechnique, d’Electronique, d’Informatique, d’Hydraulique et de Télécommunication
(ENSEEIHT), pour l’honneur qu’il nous fait en acceptant la lourde tâche de rapporteur. Je le
remercie pour le grand intérêt qu’il a porté à notre travail et les remarques constructives dont
il nous a fait part et qui nous aideront à une orientation pertinente de nos recherches futures.
Monsieur Alain Glumineau, Professeur à l’Ecole Centrale de Nantes (ECN) pour
l’honneur qu’il nous fait en acceptant la lourde tâche de rapporteur. Je le remercie ici
profondément pour l’intérêt porté à notre travail à la fois lors des publications de nos articles
et lors de la lecture approfondie du mémoire ; ses nombreuses suggestions et remarques nous
ont assurément été utiles.
Monsieur Claude Marchand, Professeur à l’Université Paris Sud X, pour sa
participation à ce jury de thèse.
Monsieur Jean-Luc Thomas, Professeur du Conservatoire National des Arts et Métiers
(CNAM) et Directeur R & D d’Areva pour l’honneur qu’il m’a fait en acceptant de participer
au jury de thèse et d’y apporter sa longue et riche expérience industrielle. Son éclairage nous
permet d’envisager dorénavant de nouvelles perspectives
Monsieur Serge Poullain, Docteur Ingénieur et responsable d’une équipe R&D
d’Areva, pour sa participation à ce jury de thèse et pour le regard industriel qu’il a porté à ce
travail.
Monsieur Jean-Pierre Barbot , Professeur à l’Ecole Nationale Supérieure de
l’Electronique et de ses Applications (ENSEA) et responsable de l’équipe ECS pour avoir
diriger ces travaux. Je le remercie vivement pour son soutien constant, la confiance qu’il m’a
témoignée et la grande liberté qu’il a su m’accorder. Sans lui, un tel travail de fond n’aurait
jamais pu voir le jour…
J’adresse également mes remerciements aux autres personnes de l’équipe ECS qui ont
contribué aux échanges scientifiques. Sans être exhaustif, je pense en particulier à Christophe
Combastel, Mohamed Djemaï, Thierry Floquet et Roger Tauleigne.
Je n’oublie pas le soutien constant que m’ont apporté dans cette entreprise le Directeur de
l’ENSEA, Pierre Pouvil, et mes collègues de l’école.

Je remercie également mes différents élèves qui par leur questionnement m’ont amené à
évolué constamment dans mon approche du Génie Electrique.
Ces remerciements ne seraient pas complets si j’oubliais mes parents et beaux-parents qui par
leur soutien logistique m’ont accordé les plages de calme indispensables à la gestation des
idées de ce mémoire.
Je remercie également mon épouse Géraldine et nos deux enfants Lauren et Lucien pour leur
présence qui donne tout son sens à ce travail.

Table des matières
Introduction Générale 1
Partie 1
Rappels et état de l’art
1.1. Enjeux industriels 4
1.2. Principe : mise en série de cellules 7
1.2.1. Interrupteur constitué par la mise en série d’interrupteurs 7
1.2.2. Topologie du convertisseur multicellulaire série 8
1.2.3. Tension bloquée par une cellule 9
1.2.4. Courant commuté par une cellule 10
1.2.5. Relations décrivant le convertisseur 10
1.3. Commande en boucle ouverte à porteuses triangulaires 11
1.4. Equilibrage naturel avec la commande en boucle ouverte à porteuses
triangulaires 12
1.5. Commande en boucle fermée avec M.L.I. intersective 16
1.6. Observation des tensions internes pour les commandes à porteuses
triangulaires 18
1.7. Détection d’une défaillance : approche fréquentielle 20
1.8. Nouvelles topologies issues du concept de convertisseur
multicellulaire 22
1.8.1. Convertisseurs multicellulaires en commutation douce 22
1.8.2. Structure multicellulaire superposée 23
1.9. Conclusion 24
I