Réalisation d`un banc d`essai pour la commande et l

THÈSE
Présentée pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université de Cergy Pontoise
(Spécialité Automatique)
Présentée par
Khel ifa BENM ANSO UR
Réalisation d’un banc d’essai pour la Commande et
l’Observation des Convertisseurs Multicellulaires
Série: Approche Hybride
Soutenue le 29 /06/ 2009 devant le jury suivant :
Rapporteurs :
A. Hamzaoui, Professeur des Universités, CReSTIC, URCA, IUT de Troyes,
S. Poullain, Dr, HDR, AREVA, La Défense,
Examinateurs :
N. Manamanni Professeur des Universités, CReSTIC, URCA Reims,
A. Girard Maître de Conférences, Université, Joseph Fourier, Grenoble,
M. Djemaï Professeur des Universités, LAMIH, UVHC, Valenciennes,
J-P. Barbot Professeur des Universités, ECS, ENSEA, Cergy,
Invités :
K. Busawon Professeur des Universités, Northumbria, University, UK
L. Fridman Professeur des Universités, UNAM, University of Mexico,

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3
Remerciements

Table des matières
REALISATION D’UN BANC D’ESSAI POUR LA COMMANDE ET L’OBSERVATION DES
CONVERTISSEURS MULTICELLULAIRES SERIE: APPROCHE HYBRIDE ................................................
CCHHAAPPIITTRREEII::........................................................................................................................................................... 13
EETTAATTDDEELL''AARRTTEETTRRAAPPPPEELLSSSSUURRLLEESSCCOONNVVEERRTTIISSSSEEUURRSSMMUULLTTIICCEELLLLUULLAAIIRREESS................................. 13
I.1. INTRODUCTION................................................................................................................................................. 14
I.2. STRUCTURES DE CONVERSION D’ENERGIE MULTINIVEAUX :............................................................................. 16
I.2.1. Les convertisseurs multiniveaux en cascade............................................................................................ 16
I.2.2. Les convertisseurs multiniveaux à structure NPC (Neutral Point Clamped)........................................... 17
I.2.3. Les convertisseurs multicellulaires série ou à cellules imbriqués ........................................................... 18
I.3. FONCTIONNEMENT EN HACHEUR ...................................................................................................................... 19
I.3.1. Modèle exact ou instantané...................................................................................................................... 19
I.3.2. Modèle aux valeurs moyennes ................................................................................................................. 21
I.3.3. Modèle harmonique ................................................................................................................................. 21
I.3.4. Fonctionnement du convertisseur multicellulaires .................................................................................. 21
I.3.5. Commande des interrupteurs par modulation de largeur d’impulsion .................................................... 24
I.3.6. Equilibrage des tensions aux bornes des condensateurs ......................................................................... 25
I.3.6.1. Equilibrage sans circuit auxiliaire....................................................................................................................... 25
I.3.6.2. Equilibrage avec un circuit auxiliaire ................................................................................................................. 26
I.4. FONCTIONNEMENT EN ONDULEUR .................................................................................................................... 27
I.4.1. Onduleur monophasé en pont complet..................................................................................................... 28
I.4.2. Onduleur multicellulaire série triphasé ................................................................................................... 29
I.5. COMMANDE EN BOUCLE FERMEE DES CONVERTISSEURS MULTICELLULAIRES................................................... 33
I.5.1. Commande directe des convertisseurs multicellulaires série .................................................................. 33
I.5.2. Commande direct du couple (DTC)......................................................................................................... 35
I.6. OBSERVATIONDES TENSIONS AUX BORNES DES CONDENSATEURS...................................................................38
I.7. CONCLUSION .................................................................................................................................................... 38
CHAPITRE II : ............................ ................................................................ ............................................................. 40
R
RE EA AL LI IS SA AT TI IO ON ND DU UB BA AN NC CD D’ ’E ES SS SA AI I....................................................................................................................... 40
II.1. INTRODUCTION................................................................................................................................................ 41
II.2. DESCRIPTION GENERALE.................................................................................................................................41
II.3. CONVERTISSEUR MULTICELLULAIRE SERIE REALISE........................................................................................ 43
II.3.1. Partie puissance ..................................................................................................................................... 43
II.3.2. Partie commande.................................................................................................................................... 44
II.3.3. Partie Mesure ......................................................................................................................................... 46
II.3.4. Partie protection..................................................................................................................................... 47
II.3.5. Partie dSPACE ....................................................................................................................................... 48
II.4. QUELQUES TESTS EXPERIMENTAUX................................................................................................................. 49
II.5. DEMARRAGE D’UN CONVERTISSEUR MULTICELLULAIRE ................................................................................. 52
II.6. CONCLUSION ................................................................................................................................................... 55
CCHHAAPPIITTRREEIIIIII::........................................................................................................................................................ 56

5 TABLE DES MATIERES
MMOODDEELLIISSAATTIIOONNHHYYBBRRIIDDEEDD’’UUNNCCOONNVVEERRTTIISSSSEEUURRMMUULLTTIICCEELLLLUULLAAIIRREE............................................... 56
III.1. INTRODUCTION............................................................................................................................................... 57
III.2. RAPPELS SUR LES SYSTEMES DYNAMIQUES HYBRIDES.................................................................................... 58
III.2.1. Définition des systèmes hybrides ........................................................................................................... 58
III.2.2. Définition des automates hybrides ......................................................................................................... 58
III.2.3. Exécution d’un système hybride ............................................................................................................ 59
III.2.4. Classes des systèmes dynamiques Hybrides .......................................................................................... 60
III.2.5. Définition des Systèmes dynamiques à commutations .......................................................................... 60
III.3. MODELISATION HYBRIDE D’UN CONVERTISSEUR MULTICELLULAIRES ........................................................... 61
III.3.1. Convertisseur à deux cellules ................................................................................................................ 61
III.3.1.1. Automate hybride d’un Convertisseur à deux cellules......................................................................................62
III.3.1.2. Schéma d’automate hybride d’un convertisseur à deux cellules.......................................................................66
III.3.1.3. Plan de phase ....................................................................................................................................................67
III.3.1.4. Analyse de convergence ...................................................................................................................................68
III.3.1.5. Modélisation hybride avec stateflow ................................................................................................................70
III.3.1.6. Résultats de la simulation.................................................................................................................................71
III.3.2. Convertisseur à trois cellules ................................................................................................................ 74
III.3.3. Résultats de la simulation ...................................................................................................................... 75
III.4. CONCLUSION.................................................................................................................................................. 77
C
CH HA AP PI IT TR RE EI IV V: :......................................................................................................................................................... 79
RREEGGUULLAATTIIOONNDDEESSTTEENNSSIIOONNSSAAUUXXBBOORRNNEESSDDEESSCCOONNDDEENNSSAATTEEUURRSSPPOOUURRLLAACCOOMMMMAANNDDEEDDEELLAA
M
MA AC CH HI IN NE EA AC CO OU UR RA AN NT TC CO ON NT TI IN NU UE EN NQ QU UA AT TR RE EQ QU UA AD DR RA AN NT TS S...................................................................... 79
IV.1. INTRODUCTION .............................................................................................................................................. 81
IV.2. PROBLEMATIQUE ........................................................................................................................................... 81
IV.3. CONVERTISSEUR A QUATRE QUADRANTS .......................................................................................................82
IV.4. ALGORITHME DE COMMANDE........................................................................................................................ 83
IV.4.1. Résultats de simulation .......................................................................................................................... 86
IV.4.2. Résultats expérimentaux ........................................................................................................................ 88
IV.5. CONCLUSION.................................................................................................................................................. 91
C
CH HA AP PI IT TR RE EV V: :.......................................................................................................................................................... 93
CCOOMMMMAANNDDEEPPAARRMMOODDEESSGGLLIISSSSAANNTTSSPPOOUURRLLAACCOONNDDUUIITTEEDDEESSMMAACCHHIINNEESSAACCOOUURRAANNTTCCOONNTTIINNUU
A
AL LI IM ME EN NT TE EE ES SP PA AR RC CO ON NV VE ER RT TI IS SS SE EU UR RM MU UL LT TI IC CE EL LL LU UL LA AI IR RE E.......................................................................... 93
V.1. INTRODUCTION:............................................................................................................................................... 94
V.2. COMMANDE PAR MODES GLISSANTS D’ORDRE SIMPLE..................................................................................... 94
V.2.1. Inconvénient de la commande par modes glissants ................................................................................ 96
V.3. PRINCIPE DE MODES GLISSANTS D'ORDRE SUPERIEUR...................................................................................... 96
V.3.1. Commande par modes glissants d'ordre deux ............................ ............................................................. 96
V.3.1.1. Algorithme Super-Twisting ...............................................................................................................................97
V.4. APPLICATION A LA COMMANDE EN VITESSE DE LA MACHINE A COURANT CONTINU........................................ 98
V.4.1. Modes glissants d’ordre un..................................................................................................................... 99
V.4.2. Convertisseur de puissance classique ...................................................................................................100
V.4.3. Convertisseur de puissance Multicellulaire .......................................................................................... 100
V.4.4. Modes glissants d’ordre supérieurs ......................................................................................................101
V.4.4.1. Estimation de l'accélération.............................................................................................................................102
V.4.4.2. Loi de commutation .........................................................................................................................................103
V.5. RESULTATS DE SIMULATION ..........................................................................................................................104
V.6. RESULTATS EXPERIMENTAUX........................................................................................................................106