association onduleur à trois niveaux a structure npc machine

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ASSOCIATIONONDULEURÀTROISNIVEAUXA
STRUCTURENPCMACHINEASYNCHRONEÀ
DOUBLESTATOR
CONFERENCEPAPER·JANUARY2004
DOI:10.13140/2.1.1779.5206
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289
4AUTHORS:
D.Beriber
UniversityofScienceandTechnologyHoua…
14PUBLICATIONS55CITATIONS
SEEPROFILE
E.MBerkouk
NationalPolytechnicSchoolofAlgiers
192PUBLICATIONS714CITATIONS
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M.O.Mahmoudi
NationalPolytechnicSchoolofAlgiers
79PUBLICATIONS177CITATIONS
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TalhaAbdelaziz
UniversityofScienceandTechnologyHoua…
21PUBLICATIONS31CITATIONS
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Availablefrom:E.MBerkouk
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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, NPC,
MASDS, Modulation vectorielle.
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.
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).
Le modèle de la machine asynchrone à double stator dans
le repère de Park est représenté par la figure2.
Figure 1. Représentation des enroulements de la machine
asynchrone a double stator

JTEA 2004, 20-21-22 mai 2004, Tunisie
Figure3. Structure Générale de l’onduleur à trois niveaux
Id1
D21 T21
D24
T24
T23 D23
TK22 D22
D31
T31
D34
T34
T32 D32
T33 D33
T12
T11 D11
T14 D14
D12
T13 D13
VBVC VA
DD30
DD10 DD20
DD11 DD21 DD31
UC1
UC2
Id2
IAIBIC
MABC
Id0
Les équations électrique de la machine asynchrone à
double stator s’écrivent comme suit :
++=
−+=
++=
−+=
++=
−+=
rd
rq
rqrrq
rq
rd
rdrrd
sd
sq
sqssq
sq
sd
sdssd
sd
sq
sqssq
sq
sd
sdssd
dt
d
irV
dt
d
irVdt
d
irV
dt
d
irVdt
d
irV
dt
d
irV
.öù
ö
.
.öù
ö
.
ùö
ö
.
(1)ùö
ö
.
ùö
ö
.
ùö
ö
.
gl
gl
2
2
222
2
2
222
1
1
111
1
1
111
Les relations entre les flux et les courants sont données
par :
+++=
+++=
+++=
+++=
+++=
+++=
)(.
)(.
)(.
(2))(.
)(.
)(.
21
21
21222
21222
21111
21111
rqsqsqmrqrrq
rdsdsdmrdrrd
rqsqsqmsqssq
rdsdsdmsdssd
rqsqsqmqdssq
rdsdsdmsdssd
iiiLiL
iiiLiL
iiiLiL
iiiLiL
iiiLiL
iiiLiL
ϕ
ϕ
ϕ
ϕ
ϕ
ϕ
Le couple électromagnétique est donné par l’expression
suivante :
[ ] ).().( 1111 sdsqrqsqsqrd
rm
m
em iiii
LL L
pC+−+
+
= ϕϕ
(3)
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.
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.
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
Figure 2. Représentation des enroulements de la machine
dans le repère de Park

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).
3.2. Réseau de Petri d’un bras d’onduleur :
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].
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 :
=ouvertestTDsi0
ferméestTDsi1
FKS
KS
KS (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 :
Figure5. Réseau de Petri série de fonctionnement d’un bras
de l’onduleur triphasé à trois niveaux à structure NPC
12
R
43
R
31
R
13
R
14
R23
R
32
R
01
R
34
R
R
04
R
03
R
30
R
10
R20 R
02
R
21
R
41
R
E1
E0
E2
E4E3
Figure4. Différentes configurations du bras K de
l’onduleur à trois niveaux
Configuration E 0
DDK1
UC1
UC2
M
K
IK
TDK2
DDK0
TDK1
TDK3
T
DK4
DDK1
UC1
UC2
M
K
IK
T
DK2
DDK0
TDK3
TDK1
TDK4
Configuration E 1
Configuration E 3
DDK1
UC1
UC2
K
IK
TDK2
DDK0
TDK1
TDK3
TDK4
DDK1
UC1
UC2
M
K
IK
TDK2
DDK0
TDK3
TDK1
TDK4
Configuration E 2
DDK1
UC1
UC2
M
K
IK
TDK2
DDK0
TDK1
TDK3
TDK4
Configuration E 4

JTEA 2004, 20-21-22 mai 2004, Tunisie
=
=
23
14
KK
KK
BB
BB (5)
Nous définissons la fonction de connexion du demi-
bras b
km
F telle que:
K : numéro du bras (K=1, 2, 3)
−
−
=hautdubrasdemilepour1
basdubrasdemilepour0
m
La fonction b
Km
F 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 :
2
30
20
10
1
31
21
11
C
b
b
b
C
b
b
b
CM
BM
AM U
F
F
F
U
F
F
F
V
V
V
− =
(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 :
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.
4. Stratégie de commande de l’onduleur à trois
niveaux à structure NPC :
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
Sref
V,t
3ref2ref1refSref )V,V,V(V=, deux
nouveaux vecteurs de référence 1Sref V et 0Sref V. Le
vecteur de référence 1Sref V est associé à l’onduleur à
deux niveaux constitué des demi bras du haut de
l’onduleur multiniveaux, alors que le vecteur 0Sref V est
associé au demi bras du bras.
Ces deux nouveaux vecteurs de référence sont définis par
le système d’équations suivant :
0Sref0Sref
0Sref1Sref ViViV
ViViV
−= += ][][ ][][ (7)
avec 3,2,1
=
i
La tension V0 est donnée par l’expression suivante :
(
)
(
)
[
]
2
VminVmax
VSrefSref
0+
−= (8)
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 p
f de la porteuse à la fréquence f
de la tension de référence 
=f
f
mp.
−Le taux de modulation ou coefficient de réglage de
tension 
=pm
m
U3V
r.
Les différents signaux de cette stratégie sont donnés par la
figure7.
Partie commande
Partie opérative
Réseau
de Petri
Relation
de
concersion
Bloc continu
(model d’état
de la charge
et de la
source
d’entrée du
convertisseur
0 d
3 d
2 d
1 d
C
B
A
i
i
i
i
V
V
V
3
2
1
i
i
i
2 C
U
1 C
U
Bloc discontinu
[
B
KS
]
[
F
b
Km
]
3
2
1
i
i
i
2 C
U
1 C
U
[N(t)]