Optimisation de la fonction MLI d`un onduleur de tension deux

N° d’ordre : 1925 Année 2002
THÈSE
présentée
pour obtenir le titre de
DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE
Spécialité : Génie Electrique
par
Stefan Laurentiu CAPITANEANU
Ingénieur de l’ENSEEIHT de TOULOUSE, option Génie Electrique
Ingénieur de l’UPB de Bucarest, option Génie Electrique
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Optimisation de la fonction MLI d’un
onduleur de tension deux-niveaux
Directeur de thèse: Prof. Bernard de Fornel
Soutenance : le 28 novembre 2002 à 10h00 à LEEI devant le jury composé par:
Prof. Jean-Paul Vilain (UTC, Compiegne) - président et rapporteur
Prof. Seddik Bacha (LEG, Grenoble) - rapporteur
Prof. Cezar Fluerasu (UTB, Bucarest)
Dr. Ing. Fabrice Jadot (STIE, Pacy sur Eure)
Prof. Bernard de Fornel (LEEI, Toulouse)
Prof. Maurice Fadel (LEEI, Toulouse)
Thèse préparée au sein du service Recherche et Développement de Schneider Toshiba Inverter
Europe et du Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique Industrielle de l’ENSEEIHT UMR
au CNRS N° 5828

Stefan Capitaneanu – Optimisation de la fonction MLI d’un onduleur de tension deux-niveaux
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RESUME
La fonction MLI (Modulation en Largeur d'Impulsion) ou PWM (Pulse Width
Modulation) joue le rôle d'interface entre la partie commande d’un variateur de vitesse et
la machine électrique associée. Cette fonction agit sur l'onduleur de tension (ou de
courant) de la partie puissance du variateur et joue un rôle essentiel avec des
conséquences sur toutes les performances du système.
Nos travaux prennent en compte la machine asynchrone commandée à travers
l'onduleur de tension deux-niveaux. Plusieurs problèmes importants actuels de ce
système à vitesse variable sont liés à la MLI : les pertes par commutation de l'onduleur,
le bruit acoustique, les surtensions de ligne, les courants de fuite… Le travail effectué
consiste à optimiser la fonction MLI vis-à-vis de ces critères. Par le positionnement de la
MLI vis-à-vis de ces éléments, le problème gagne un caractère pluridisciplinaire.
Nous proposons dans un premier temps une modélisation graphique et algébrique
des méthodes MLI très utile surtout du point de vue pédagogique. Cette caractérisation
généralisée est indispensable. Elle met en évidence des éléments essentiels comme "le
mouvement du neutre". A partir de ces éléments, les démarches d'optimisation vont dans
quatre directions:
- réduire les pertes de l’onduleur tout en gardant une ondulation du courant
acceptable - adapter la stratégie de MLI dans ce but, en prenant en compte l’état
de la machine (vitesse, couple) et l’état de l’onduleur (température) ;
- réduire le bruit moteur - adapter la stratégie de modulation dans ce but à partir
d’une meilleure connaissance de l’origine physique des sources de bruit dans un
moteur électrique ;
- réduire les surtensions propagées par la ligne d’alimentation du moteur - adapter
la stratégie de modulation afin de minimiser l’influence des gradients de tension
sur la ligne d’alimentation du moteur et sur le moteur lui-même, en particulier
réduire les surtensions générées lors de l’utilisation des longs câbles
d’alimentation;
- réduire les harmoniques de tension appliqués à la machine, ainsi que les
surtensions, par utilisation d’un filtre de sortie de l’onduleur - étudier l’apport d’un
filtre en sortie de l’onduleur (à tensions de sortie régulées ou non) en termes de
réduction d’harmoniques, de surtension, de dynamique du pont et de stabilité.
Les programmes de simulation utilisés sont généralement structurés dans des
blocks en Matlab/ Simulink classiques ou Power System Blockset, structures qui sont
utilisées par la suite pour une expérimentation en temps-réel à base de cartes dSpace.
Le banc d'essai a été spécialement aménagé pour notre étude et adapté à la structure de
puissance existante dans le variateur ATV58. D'autres programmes de simulation comme
POSTMAC ou CRIPTE ont été aussi utilisés.
Mots-clef: MLI, bruit acoustique, machine asynchrone, pertes onduleur, surtensions
dues aux câbles longs, filtre de sortie

Stefan Capitaneanu – Optimisation de la fonction MLI d’un onduleur de tension deux-niveaux
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ABSTRACT
The PWM (Pulse Width Modulation) function is the interface between the control
block of the electrical drive and its associated electrical motor. This function controls the
voltage or current inverter (VSI or CSI) from the power block of the drive. Every
performance of the system is influenced by the PWM that becomes therefore an essential
element of the chain.
Our study is focused on the AC induction motor that is controlled through a 2-level
VSI. A few problems of our days concerning this variable speed system are related to the
PWM: inverter switching losses, acoustical noise, dangerous over-voltages, leakage
currents, etc. We have oriented our work towards optimising the PWM from these criteria
point of view. By the position of the PWM among these elements the study becomes
multi-disciplinary.
Firstly, we propose a graphical an algebraic modeling of the PWM strategies. This
generalized characterisation is indispensable for our study. It is a very useful tool mainly
because of its pedagogical content. Essential elements as the “zero-voltage movement”
are outlined. Based on these elements, the optimisation study is oriented in 4 directions:
• reduce the inverter losses without noticeable changing the current ripple – in order
to obtain this, adapting the PWM strategy by taking into account the state of the
machine (speed, torque) and the state of the inverter (temperature);
• reduce the acoustical noise of the motor – optimise the modulation strategy
starting from a better analysis of the physical origin of the noise from an electrical
motor;
• reduce the dangerous over-voltages propagating through the motor supply line –
adapting the PWM in order to minimize the influence of the voltage gradients onto
the cable or the motor, mainly reduce the over-voltage transients generated when
using a long cable supply;
• reduce the voltage harmonics as well as the over-voltage transients applied to the
motor, by using an output filter on the inverter – study the benefit of an output filter
(with voltages regulation or without) in what concerns harmonics reduction, over-
voltage reduction, inverter dynamics and stability.
We have used simulation programs generally structured in blocks from classical
Matlab / Simulink or Power System Blockset. These blocks are used further for real-time
simulation (experiment) with dSpace cards. The dSpace bench has been especially built
for our study and adapted to the power card of the ATV58 drive. Other simulation
software like POSTMAC or CRIPTE has been used.

Stefan Capitaneanu – Optimisation de la fonction MLI d’un onduleur de tension deux-niveaux
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REMERCIEMENTS
Les travaux présentés dans ce mémoire ont fait l’objet d’une collaboration
industrielle du laboratoire LEEI avec STIE (Schneider Toshiba Inverter Europe). Les
travaux ont été préparés au sein des locaux Schneider à Rueil Malmaison (92) et Pacy
sur Eure (27), ainsi qu’au sein du laboratoire LEEI à Toulouse.
Au terme de ce travail, de trois années de recherche, je suis heureux de pouvoir
exprimer ma gratitude sincère envers les personnes qui m’ont aidé en contribuant à
l’aboutissement de ce mémoire. Ils ont été en grand nombre en se montrant disponibles
pour aider et intéressés par mon travail. Les mots ci-dessous ne peuvent en aucun cas
être suffisants. Au-delà des mots, il en reste leurs faits…
Je tiens ainsi à remercier :
Monsieur Jean-Paul VILAIN, Professeur de l’Université Technique de Compiègne, et
Monsieur Seddik BACHA, Professeur du LEG (Institut National Polytechnique de
Grenoble) pour m’avoir fait l’honneur de bien vouloir participer au jury en tant que
rapporteurs, mais également pour leur grande disponibilité de traiter ce mémoire dans un
temps très court. Pour tout l’intérêt qu’ils ont manifesté sur ce travail de recherche j’en
suis particulièrement touché et reconnaissant.
Monsieur Cezar FLUERASU, Professeur de l’Université Polytechnique de Bucarest,
Directeur de la Filière Francophone du Département des Sciences pour l’Ingénieur, pour
l’honneur qu’il me fait en acceptant d’être membre du jury et pour l’enthousiasme avec
lequel il a reçu la proposition de participation au jury de cette thèse. Ses qualités
scientifiques et humaines m’ont accompagné tout au long de mon parcours universitaire
à la Polytechnique de Bucarest ou à l’ENSEEIHT de Toulouse.
Monsieur Bernard DE FORNEL, Professeur au LEEI (INPT), pour m’avoir proposé cette
thèse suivant le stage de DEA en collaboration avec Schneider Electric, pour le soutien
scientifique, les remarques, les encouragements qu’il a su m’adresser. Je lui en suis
redevable de sa contribution à l’orientation de ces travaux de recherche qui a permis son
aboutissement, pour l’aide précieuse à la conception et la révision des articles publiés
ainsi que de ce manuscrit. Enfin, je n’oublierai pas son sens de l’organisation, la clarté de
ses idées, sa disponibilité pour toujours suivre les étapes de ce travail.
Monsieur Maurice FADEL, Professeur au LEEI (INPT), co-responsable de la part de
LEEI pour cette thèse, pour l'aide scientifique au déroulement de ces travaux, pour ses
remarques pertinentes et ses conseils constructifs sur les démarches à suivre dans
l'analyse et sur la façon de présenter les travaux de recherche. Je lui suis
particulièrement reconnaissant pour avoir essayer d'intégrer au mieux ces travaux au
sein de l'équipe qu'il conduit, équipe complexe surtout du point de vue humain.
Monsieur Fabrice JADOT, Dr. Ingénieur de STIE, pour avoir accepté premièrement le
suivi financier de ces travaux de collaboration LEEI/STIE et, par la suite, le suivi
scientifique d'une grande partie de ceux-là. Par son intérêt soutenu pour le bon
avancement de la thèse et par ses qualités de manager, il a su trouver l'accord optimal
entre le souci permanent pour l'utilisation industrielle des résultats et la bonne évolution
théorique des travaux. Je lui remercie aussi pour les idées claires et les réflexions
d'orientation technique industrielle qu'il a partagé avec moi, pour sa disponibilité pour

Stefan Capitaneanu – Optimisation de la fonction MLI d’un onduleur de tension deux-niveaux
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toujours suivre d'au plus près les différentes étapes de ce travail, alors que lui aussi a dû
entre temps faire preuve à son propre égard d'engagements importants.
Monsieur Antonio ALMEIDA, Ingénieur de Schneider Electric, pour avoir pris en mains
le commencement du suivi scientifique de ces travaux. Je n'oublierai pas son
enthousiasme d'encadrer mon étude, son implication totale concernant l'avancement de
celui-ci, ainsi que l'ambiance amicale qu'il a conféré au travail, le transformant dans un
vrai travail d'équipe. Son expérience scientifique rajoutée à ses qualités humaines
(remarquées dans ma vie quotidienne par plusieurs choses, dont le seul nœud de
cravate que je sais faire) m'ont profondément touché.
Monsieur François MALRAIT, Dr. Ingénieur de STIE, pour être toujours là pour les
choses les plus insignifiantes où je n'avais pas de réponse, ainsi que pour les plus
importantes, pour son amitié professionnelle et personnelle et pour son implication dans
l'élaboration de plusieurs articles publiés pendant nos travaux. J'ai beaucoup appris de sa
rigueur mathématique.
Monsieur Jean FAUCHER pour sa grande contribution implicite à la théorie développée
dans cette thèse, ainsi que pour la participation comme coauteur à un de nos articles.
Messieurs Vinh Tung NGUYEN PHUOC, Philippe Le GOUALEC, Ludovic
KERMAREK, Ingénieurs de l'équipe Entraînement de STIE, pour m'avoir aidé sans
hésitation pour résoudre des problèmes techniques ou dans la recherche des
informations.
Messieurs Michel ARPILLERE et Martial PATRA, Ingénieurs de l'équipe Electronique
de STIE, pour leur aide et leur collaboration concernant l'analyse et les travaux sur les
câbles longs (avec ONERA) ou sur les filtres de sortie.
Monsieur Jean-Luc LEBRETON, de l'équipe Logiciel de STIE, pour son humour
légendaire et sa convivialité inoubliable.
Je remercie également:
Monsieur Jean DAMARIUS, Directeur Technique de STIE, pour m'avoir accueilli dans
l'équipe de Recherche et de Développement de STIE et pour m'avoir soutenu par son
intérêt envers ces travaux.
J'adresse également mes remerciements à Mme Catherine MARTINET (secrétariat) et à
toutes les autres personnes de l'équipe de Recherche et de Développement de STIE que
je n'ai pas pu nommer ci-dessus, pour leur aide et l'ambiance chaleureuse dans laquelle
j'ai été reçu, inestimable source de motivation supplémentaire.
Côté LEEI, je remercie Monsieur Yvon CHERON, Directeur de LEEI, pour m'avoir
accueilli dans son laboratoire et je pense plus particulièrement à mes collègues de
bureau, Afef BEN ABDELGHANNI et Dominique ALEJO, ainsi qu'à Mme Fatima
MEBREK, Mme Josiane PIONNIE (comptabilité), Mme BODDEN (secrétariat), M. Alain
BERTELLI (comptabilité) pour leur grande aide dans la lourde tâche d'administrer le
contrat de collaboration LEEI/STIE, aide qui leurs a consumé plusieurs dizaines de % de
leur travail.
Finalement, il m'est difficile d'exprimer tout ce que je dois à ma famille et aux amis de
Paris et de Toulouse pour l'inestimable soutien moral et logistique et les nombreux
encouragements que j'ai toujours reçus de leur part. Je remercie de tout mon cœur mes
parents, ma sœur et ma femme.