UNIVERSITE KASDI MERBAH OUARGLA Faculté des Sciences Appliquées Département de Génie Electrique Mémoire MASTER ACADEMIQUE Domaine : Sciences et technologies Filière : Génie électrique Spécialité : Electrotechnique Industrielle Présenté par : SAIFI imane Thème: Alimentation d'onduleurs multiniveaux : analyse des possibilités de réalisation et méthodes de répartition de la puissance Soutenu publiquement Le : 01/06/2016 Devant le jury : Mr Meghni Billal MA (B) Président UKM Ouargla Mr Bouakaz Ouahid MA (A) Encadreur/rapporteur UKM Ouargla Mr Lakhdar benyoussef MA (B) Examinateur UKM Ouargla Année universitaire 2015/2016 Nous tenons à exprimer notre gratitude et remerciement à ALLAH qui nous a donné la force et le pouvoir pour effectuer ce modeste travail. Nous tenons tout d'abord à remercier notre encadreur Monsieur, BOUAKAZ Ouahid, Maître Assistante à l'université Kasdi Merbah Ouargla, pour nous avoir proposé ce sujet, pour sa contribution estimable et son aide indispensable qui nous ont été donné pour atteindre la réalisation de ce travail ainsi que toutes ces remarques constructives qui nous ont permis d'approfondir les connaissances scientifiques. Nous remercions amplement tous les membres de jury qui ont accepté de juger ce travail et d'y apporter leur caution : Monsieur, MAGHNI Bilal, maître assistant à l'université kasdi merbah OUARGLA, qui nous fait le grand honneur d'accepter la présidence du jury. Monsieur, BENYOUSSEF Lakhdar, maître assistant à l'université kasdi merbah OUARGLA, pour l'honneur qu'il nous fait en acceptant de participer à ce jury. Nos remerciements vont en particuliers à tous les enseignants et à tout ce qui a contribué de loin ou de près à la réalisation de ce travail Monsieur TAIBI Djamel, maître assistant à l'université kasdi merbah OUARGLA, Monsieur SAHRAOUI lazhar, maître assistant à l'université kasdi merbah OUARGLA, Monsieur LAAMAYED Tahar, maître assistant à l'université kasdi merbah OUARGLA. Dédicace Avant tous, je remercie Allah le tout puissant de m'avoir donner le courage et la patience pour réaliser ce modeste travail malgré tout les obstacles mais aussi toutes les difficultés rencontrées. Je dédie également ce travail : A mes très chers parents, que Allah les garde et les protège pour de me présenter leurs soutien moral , leurs encouragements et leurs bénédictions sacrifices qu'ils ont endurés. A tout membre de ma grande famille ; Mes frères ; Mes sœurs ; Mes très chers neveux ; Mes très chères nièces ; Mon fiancé ; Sans oublier mes chères amies A tous les amis (es) d'études surtout ceux d'électrotechnique promotion 2015 ; IMANE Sommaire Remerciement i Dédicace ii Sommaire iii Nomenclatures vi Liste des figures viii Liste des tableaux xiii Introduction générale…………………………………………………………….. 01 Chapitre un : Etat de l'art des onduleurs multiniveaux 1.1. Introduction …………………………………………………………................... 03 1.2. Les onduleurs multiniveaux …………………………………………………... 03 1.2.1. Les onduleurs multiniveaux avec diodes de bouclage ………………………….. 03 1.2.1.1. Topologies NPC classiques ………………………………………………........... 03 1.2.1.2. Topologies basées sur NPC ………………………………………………........... 05 1.2.2. Les onduleurs multiniveaux à condensateur flotteur (ou FC) …………….......... 06 1.2.3. Les onduleurs multiniveaux en pont en H (H-Bridge) ………………….......... 07 1.2.3.1. H-Bridge Classiques ……………………………………………………….......... 7 1.2.3.2. Topologies basées sur le pont en H ……………………....................................... 08 1.3. Etat de l'art des stratégies de commande des onduleurs Multiniveaux ………….. 09 1.3.1. Commande par paliers …………………………………………………………... 09 1.3.2. Modulation Sinusoïdale (MS) …………………………………………………... 10 1.3.2.1. MS classique mono-porteuse ………………………………………………….... 10 1.3.2.2. Modulation sinusoïdale multi-porteuse …………………………………………. 10 1.3.2.3. Modulation sinusoïdale multi-porteuse classique ……………………………….. 11 1.3.2.4. Modulation sinusoïdale modifiée de premier type (MSM1) ……………………. 11 1.3.2.5. Modulation sinusoïdale modifiée de deuxième type (MSM2) ………………….. 12 1.4. Avantages des Onduleurs Multiniveaux ……………………………………….. 15 1.4.1. Les Avantages technologiques ………………………………………………….. 15 1.4.2. Les Avantages fonctionnelles pour le convertisseur ……………………………. 15 1.4.3. Les Avantages fonctionnelles pour les machines tournantes …………………… 15 1.5. Domaines d'application des onduleurs mutiniveaux…………………………….. 16 1.6. Conclusion……………………………………………………………………….. 16 __________________________________________________________________________ iii Chapitre deux : Onduleur multiniveaux en pont en H symétrique 2.1. Introduction …………………………………………………............................... 17 2.2. Onduleurs multiniveaux symétriques …………………………………………… 17 2.2.1. Principes de base …………………………………………………....................... 17 2.2.2. Alimentation des cellules …………………………………………………........... 18 2.2.3. Variante des onduleurs multiniveaux symétriques ……………………………… 19 2.3. Uniformité du pas des onduleurs multiniveaux à cellules en série ……………… 19 2.3.1. Niveaux et pas des onduleurs multiniveaux …………………………………….. 19 2.3.2. Condition d'uniformité du pas …………………………………………………... 19 2.3.2.1. Condition d'uniformité pour 2 cellules ………………………………………….. 20 2.3.2.2. Amplitude de la sortie et nombre de niveaux …………………………………… 20 2.3.2.3 Condition générale d'uniformité ……………………………………………….... 20 2.3.3. Condition d'uniformité du pas des onduleurs 3 niveaux ………………………... 20 2.4. Onduleur monophasé en pont complet (en H)…………………………………… 21 2.5. Dimensionnement d'un onduleur de type Cascade en pont en H……………….. 21 2.5.1. Onduleur à trois niveaux de type Cascade en pont en H.………………………... 21 a. Structure………………………………………………………………………….. 21 b. Principe de fonctionnement………………………………………….................... 22 2.5.1.1. Onduleur monophasé à trois niveaux …………………………………………… 23 a. La stratégie de commande en pleine onde……………………………………….. 23 b. Modulation de largeur d'impulsion (MLI)……………………………………….. 25 2.5.1.2. Conduite de la MAS alimentée par un onduleur de type en pont en H à trios 27 niveaux…………………………………………………………………………… a. La stratégie de commande en pleine onde……………………………………….. 27 b. Modulation de largeur d'impulsion (MLI)……………………………………….. 31 2.5.2. Onduleur à cinq niveaux de type Cascade en pont en H.………………………... 35 a. Structure………………………………………………………………………… 35 b. Principe de fonctionnement………………………………………….................... 35 2.5.2.1. Onduleur monophasé à cinq niveaux ……………………………………………. 37 a. La stratégie de commande en pleine onde……………………………………….. 37 b. Modulation de largeur d'impulsion (MLI)……………………………………….. 39 __________________________________________________________________________ iv 2.5.2.2. Conduite de la MAS alimentée par un onduleur de type en pont en H à cinq niveaux.......………………………………………………………………………. 40 a. La stratégie de commande en pleine onde……………………………………….. 40 b. Modulation de largeur d'impulsion (MLI)……………………………………….. 44 Comparaison des résultats de simulation des onduleurs étudiés………………… 47 a. Onduleur monophasée…………………………………………………………… 47 b. Onduleur triphasée……………………………………………………………….. 48 Conclusion……………………………………………………………………….. 48 2.6.. 2.7. Chapitre trois : Onduleur multiniveaux en pont en H asymétrique 3.1. Introduction……………………………………………………………………… 50 3.2. Onduleurs multiniveaux asymétriques ………………………………………….. 50 3.2.1. Alimentation des onduleurs multiniveaux asymétriques ………………………... 51 3.2.2. Variantes d'onduleurs multiniveaux asymétriques ……………………………… 51 3.3. Terminologie des convertisseurs multi-niveaux ………………………………… 52 3.3.1. Concept de dissymétrie totale ………………………………………………….... 52 3.3.2. Concept de dissymétrie partielle ………………………………………………… 52 3.3.3. Convertisseurs multiniveaux symétrique ………………………………………... 52 3.3.4. Convertisseurs multiniveaux asymétrique ………………………………………. 53 3.3.5. Convertisseurs multiniveaux à pas uniforme ……………………………………. 53 3.4. Les onduleurs multiniveaux hybrides……………………………………………. 54 3.5. Stratégie de modulation………………………………………………………….. 55 3.5.1. Modulation par gradin…………………………………………………………… 55 3.5.2. Modulation hybride……………………………………………………………… 55 3.6. Onduleur multiniveau monophasé…………………………………………….... 55 3.6.1. Onduleur en deux ponts en H à cinq niveaux……………………………………. 56 3.6.2. Onduleur en deux ponts en H à sept niveaux……………………………………. 57 3.7. Comparaison entre déférentes structures de l'onduleur étudiées………………... 59 3.8. Conclusion……………………………………………………………………….. 59 Conclusion générale……………………………………………………………... 60 Annexe 62 Référence Bibliographique 63 __________________________________________________________________________ v Nomenclatures NPC Neutral Point Clamped MPC Multiple Point Clamped FC Flying Capacitor H Pont H (H-bridge) k Nombre de niveau s Nombre de source continue DC Source continue bc Nombre de condensateurs n Nombre de transistors d Nombre de diodes m Nombre de transistors de puissance nn Le nombre de niveaux de la tension ns Le nombre de sources indépendantes V1 Première source de tension d'entrée DC V2 Deuxième source de tension d'entrée DC E La tension αi Angles de commutations MLI Modulation de Largeur d'Impulsions PWM Pulse Width Modulation Vréf 123 Tension de références 1, 2 ou 3 (sinusoïdal) Vao, Vbo et Vco Les tensions simples entre les bornes du moteur et le point milieu Va,Vb,Vc Tensions des références nP Le nombre de triangulaires SHO Sub-Harmonic Optimal ma La modulation d'amplitude Ar L'amplitude de référence Ap L'amplitude de porteuse mf Le rapport de fréquence fp La fréquence de porteuse fr La fréquence de référence ma min a minimum valeur de modulation _________________________________________________________________________ vi MLIS MLI sinusoïdale MLIV MLI vectoriel Us Tension de sortie du convertisseur ΔUA et ΔUB Le pas des cellules a Le nombre de niveaux de la cellule ΔUok L'amplitude maximale de la tension de sortie Nk Le nombre de niveaux d'un onduleur constitué de k cellules ΔUk Le pas et de niveaux de kième cellule Nk Le nombre de niveaux de kième cellule Ui,1 Le pas de l'onduleur résultant Ui,k La tension d'entrée de la kième cellule Ej Tension continue J Numéro de niveaux K Nombre de pont complet Nmin, Le nombre de niveaux minimum Nmax Le nombre maximum λj Facteur de dissymétrie totale de la cellule partielle de rang j Udj Tension continue alimentant la cellule partielle de rang j Ue Tension continue équivalente que peut générer un convertisseur multiniveau δh Facteur de dissymétrie partielle entre deux cellules partielles consécutives Vp Porteuse triangulaire f réf Fréquence de la tension de référence fp Fréquence de la porteuse triangulaire M Indice de modulation r Taux de modulation Vab, Vbc et Vca Les tensions composées aux bornes de la machine V réf max (V) Amplitude de la tension de référence. Wr Vitesse rotorique Ce Couple électromagnétique THD Taux de distorsion harmonique _________________________________________________________________________ vii Liste des figures Figure (1-1) Onduleur NPC à trois niveaux 04 Figure (1-2) Onduleur MPC à quatre niveaux 04 Figure (1-3) Topologies basées sur le modèle NPC 06 Figure (1-4) Onduleurs FC à trois et à quatre niveaux (par phase) 06 Figure (1-5) Onduleur en pont en H à 5 niveaux, monophasé (à gauche) et triphasé 07 (à droite) Figure (1-6) Un modèle de topologie parallèle de phase avec bobine d'interphase 08 Figure (1-7) Un onduleur de tension en pont en H avec un pont de Vienna 09 Figure (1-8) Forme d'onde multiniveau (7 niveaux) générée par une commande 10 par paliers et tensions aux bornes de trois cellules en série sur une phase Figure (1-9) MLI Classique intersective 10 Figure (1-10) Principe de la MLI à doubles triangles 11 Figure (1-11) Modulation sinusoïdale modifié 12 Figure (1-12) Circuit analogique qui ajoute la séquence de zéro pour SFO-PWM 13 Figure (1-13) Forme d'ondes des multi porteuses est basé sur SFO-PWM (k = 6, mf 14 = 21, ma = 0.8) Figure (1-14) Les trois techniques importantes pour la stratégie de commande 15 Figure (2-1) Schéma d'une branche d'onduleur multiniveau cascadé 18 Figure (2-2) Connexion série de 2 cellules 20 Figure (2-3) Schéma triphasé d'un onduleur cascade en pont en H à 3 niveaux 22 Figure (2-4) Bras d'onduleur cascade en pont en H à trois niveaux 22 Figure (2-5) Séquences de fonctionnement d'un bras d'onduleur trois niveaux en 23 pont en H Figure (2-6) Schéma bloc d'un onduleur cascade en pont en H à trois niveaux 24 Figure (2-7) Séquence 24 de commande d'un onduleur à trois niveaux (K1,K2,K3,K4) Figure (2-8) la tension de sortie Vs 25 Figure (2-9) Spectre harmonique de la tension 25 Figure (2-10) le courant de sortie Is 25 Figure (2-11) Spectre harmonique du courant 25 __________________________________________________________________________ viii Figure (2-12) Schéma bloc d'un onduleur cascade en pont en H à trois niveaux 26 Figure (2-13) Principe de la MLI à deux porteuses pour un onduleur à trois niveaux 26 Figure (2-14) la tension de sortie Vs 26 Figure (2-15) Spectre harmonique de la tension 26 Figure (2-16) le courant de sortie Is 27 Figure (2-17) Spectre harmonique du courant 27 Figure (2-18) Schéma bloc d'un onduleur cascade en pont H à trois niveaux 27 triphasés Figure (2-19) Séquence de commande d'un onduleur à trois niveaux (K1, ….., K12) 28 Figure (2-20) Tensions simples Vao, Vbo et Vco 28 Figure (2-21) Spectre harmonique de la Tension simple Vao 28 Figure (2-22) Tensions composées Vab, Vbc et Vca 29 Figure (2-23) Spectre harmonique de la Tension composée Vab 29 Figure (2-24) Tensions de phases Van, Vbn et Vcn 29 Figure (2-25) Spectre harmonique de la Tension de phase Van 29 Figure (2-26) Courants de phases Ian, Ibn et Icn 30 Figure (2-27) Spectre harmonique du courant de phase Ian 30 Figure (2-28) Le couple Ce à vide 30 Figure (2-29) La vitesse Wr à vide 30 Figure (2-30) Le couple Ce en charge 30 Figure (2-31) La vitesse Wr en charge 30 Figure (2-32) Schéma bloc d'un onduleur cascade en pont H à trois niveaux 32 triphasés Figure (2-33) Principe de la MLI à deux porteuses pour un onduleur à trois niveaux 32 Figure (2-34) Tensions simples Vao, Vbo et Vco 32 Figure (2-35) Spectre harmonique de la Tension simple Vao 32 Figure (2-36) Tensions composées Vab, Vbc et Vca 33 Figure (2-37) Spectre harmonique de la Tension composée Vab 33 Figure (2-38) Tensions de phases Van, Vbn et Vcn 33 Figure (2-39) Spectre harmonique de la Tension de phase Van 33 Figure (2-40) Courants de phases Ian, Ibn et Icn 34 Figure (2-41) Spectre harmonique du courant de phase Ian 34 Figure (2-42) Le couple Ce à vide 34 __________________________________________________________________________ ix Figure (2-43) La vitesse Wr à vide 34 Figure (2-44) Le couple Ce en charge 34 Figure (2-45) La vitesse Wr en charge 34 Figure (2-46) Schéma d'un onduleur cascade en pont en H à 5 niveaux 35 Figure (2-47) Pont en H 5 niveaux : Principe et exemples de mécanisme de 36 commutation a)- Génération de Vao = + E ,b)- Génération de Vao = 0 , c)- Génération de Vao = -2E Figure (2-48) Schéma bloc d'un onduleur cascade en pont en H à cinq niveaux 37 Figure (2-49) Séquence de commande d'un onduleur à cinq niveaux (K1, ……, K8) 38 Figure (2-50) la tension de sortie Vs 38 Figure (2-51) Spectre harmonique de la tension 38 Figure (2-52) le courant de sortie Is 38 Figure (2-53) Spectre harmonique du courant 38 Figure (2-54) Schéma bloc d'un onduleur cascade en pont en H à cinq niveaux 39 Figure (2-55) Principe de la MLI à quatre porteuses pour un onduleur à cinq niveaux 39 Figure (2-56) la tension de sortie Vs 40 Figure (2-57) Spectre harmonique de la tension 40 Figure (2-58) le courant de sortie Is 40 Figure (2-59) Spectre harmonique du courant 40 Figure (2-60) Schéma bloc d'un onduleur cascade en pont en H à cinq niveaux 41 triphasés Figure (2-61) Tensions simples Vao, Vbo et Vco 41 Figure (2-62) Spectre harmonique de la Tension simple Vao 41 Figure (2-63) Tensions composées Vab, Vbc et Vca 42 Figure (2-64) Spectre harmonique de la Tension composée Vab 42 Figure (2-65) Tensions de phases Van, Vbn et Vcn 42 Figure (2-66) Spectre harmonique de la Tension de phase Van 42 Figure (2-67) Courants de phases Ian, Ibn et Icn 43 Figure (2-68) Spectre harmonique du courant de phase Ian 43 Figure (2-69) Le couple Ce à vide 43 Figure (2-70) La vitesse Wr à vide 43 Figure (2-71) Le couple Ce en charge 43 __________________________________________________________________________ x Figure (2-72) La vitesse Wr en charge 43 Figure (2-73) Schéma bloc d'un onduleur cascade en pont en H à cinq niveaux 44 triphasés Figure (2-74) Principe de la MLI à quatre porteuses pour un onduleur à cinq 44 niveaux Figure (2-75) Tensions simples Vao, Vbo et Vco 45 Figure (2-76) Spectre harmonique de la Tension simple Vao 45 Figure (2-77) Tensions composées Vab, Vbc et Vca 45 Figure (2-78) Spectre harmonique de la Tension composée Vab 45 Figure (2-79) Tensions de phases Van, Vbn et Vcn. 46 Figure (2-80) Spectre harmonique de la Tension de phase Van 46 Figure (2-81) Courants de phases Ian, Ibn et Icn 46 Figure (2-82) Spectre harmonique du courant de phase Ian 46 Figure (2-83) Le couple Ce à vide 47 Figure (2-84) La vitesse Wr à vide 47 Figure (2-85) Le couple Ce en charge 47 Figure (2-86) La vitesse Wr en charge 47 Figure (3-1) Schéma de l'amplificateur quasi-linéaire proposé par Müller 51 Figure (3-2) Schéma de la structure asymétrique proposée par K.A. Corzine. X. 52 Kou propose d'utiliser Ue,2 = 4Ue,1 Figure (3-3) Exemple de tension de phase multiniveaux 53 Figure (3-4) Hybridation en pont de 2 onduleurs multiniveaux 54 Figure (3-5) Hybridation en cascade d'onduleurs multiniveaux 54 Figure (3-6) Hybridation côte-à-côte d'onduleurs multiniveaux 54 Figure (3-7) Structure monophasée d'un onduleur cascade à deux cellules 56 Figure (3-8) Schéma block d'un onduleur multiniveaux asymétrique (5niveaux) 56 Figure (3-9) la tension V11 56 Figure (3-10) la tension V12 56 Figure (3-11) la tension Vs 57 Figure (3-12) Spectre harmonique de la tension 57 Figure (3-13) Le courant Is 57 Figure (3-14) Spectre harmonique du courant 57 Figure (3-15) Schéma block d'un onduleur multiniveaux asymétrique (7 niveaux) 57 __________________________________________________________________________ xi Figure (3-16) la tension V11 58 Figure (3-17) la tension V12 58 Figure (3-18) la tension Vs 58 Figure (3-19) Spectre harmonique de la tension 58 Figure (3-20) Le courant Is 58 Figure (3-21) Spectre harmonique du courant 58 __________________________________________________________________________ xii Liste des tableaux Tableau (1-1) Nombre d'éléments des onduleurs NPC et MPC multiniveaux 05 Tableau (2-1) Principe de base 18 Tableau (2-2) États possibles de 1'onduleur Cascade à 3 niveaux 23 Tableau (2-3) États possible es de l'ondu1e UT cascade à 5 niveaux 37 Tableau (2-4) Facteurs de distorsion de chaque type d'onduleur 48 Tableau (2-5) Facteurs de distorsion de chaque type d'onduleur 48 Tableau (3-1) Facteurs de distorsion de chaque type d'onduleur 59 _________________________________________________________________________ xiii Introduction générale Introduction générale L'Electronique de puissance est l'une des branches de l'Electrotechnique, nous devrions d'ailleurs nommer « électronique de conversion d'énergie », [1]. Depuis la fin du XIXe siècle, on a inventé en électrotechnique des « machines » utilisant les propriétés du magnétisme, et plus particulièrement du ferromagnétisme, pour réaliser les diverses conversions possibles des formes d'énergie électrique, [2]. Aujourd'hui près de 25 % de l'énergie électrique produite est convertie sous une forme ou une autre. Au cours de ces années la taille, le poids et le coût des convertisseurs n'ont fait que diminuer, en grande partie grâce aux progrès fait dans le domaine des interrupteurs électroniques, [1]. Paraileur. On a retrouvé certaines applications dont elles exigent une alimentation électrique à haute ou moyenne tension, facilement réglable et ayant de bonnes performances spectrales. Grâce aux progrès récents dans la technologie des composants de puissance à semiconducteur, les onduleurs multiniveaux constituent désormais la configuration standard dans la commande des moteurs à courant alternatif de moyennes et de fortes puissances. L'adoption de ce type d'onduleurs dans les installations industrielles a été motivée par des avantages dont l'amélioration du facteur de puissance et la réduction. L'utilisation des onduleurs multiniveaux permet de générer des tensions très proches de la sinusoïde. Les onduleurs à deux et à trois niveaux sont bien adoptés surtout pour les moteurs à moyenne puissance. L'utilisation des onduleurs conventionnels ou multiniveaux commandés par des techniques dites " Modulation de Largeur d'impulsion " MLI ou " pleine onde ", peuvent illuminer des défauts structurels. Ce type de dysfonctionnement induit des contraintes qui peuvent générer l'endommagement pour les installations industrielles ; il est donc évident de voir le comportement de la machine asynchrone lorsque ces onduleurs ont le fonctionnement asymétrique, [3]. Lorsque le convertisseur multiniveau génère une tension découpée de sortie composée d'au moins trois niveaux, Il présentera essentiellement deux avantages : Le premier, c'est que les structures multiniveaux permettent de limiter les contraintes en tension subies par les interrupteurs de puissance. Le second, c'est que la tension de sortie délivrée par les convertisseurs multi niveaux présente d'intéressantes qualités spectrales. Le __________________________________________________________________________________ 1 Introduction générale fait de multiplier le nombre de niveaux intermédiaires permet de réduire l'amplitude de chaque front montant ou descendant de la tension de sortie. Ce mémoire comporte trois chapitres : - Le premier chapitre sera consacré à l'état de l'art des onduleurs multi niveaux, où on présente les différentes topologies de ces onduleurs, leurs avantages, domaines d'application. - Le deuxième chapitre fera l'objet d'une étude d'un onduleur multi-niveaux en pont en H à trois et à cinq niveaux, ainsi que, la conduite de la MAS alimentée par ces deux topologies, avec les résultats de simulations et leurs interprétations. - Le troisième chapitre sera l'extension ou la suite du deuxième, pour cela, nous débuterons par une approche terminologique des convertisseurs multiniveaux, pour arriver à l'idée des onduleurs hybrides, en utilisant aussi l'hybridation des stratégies de commande, des résultats de simulation seront commentés. __________________________________________________________________________________ 2 Chapitre un Etat de l'art des onduleurs multiniveaux 1.1. Introduction : Au début des années 90, l'évolution croissante des calibres en tension et en courant des semi-conducteurs de puissance a stimulé le marché des convertisseurs statiques de puissance spécialement dédiés aux applications de moyennes et de fortes puissances, allant de quelques kilowatts jusqu'à plusieurs mégawatts. Néanmoins, malgré les avancées significatives des technologies utilisées en développement et en fabrication des interrupteurs de puissance, l'évolution des technologies des semi-conducteurs est assez lente par rapport au marché mondial, [4]. Les principales applications de la topologie multiniveau se trouvent généralement dans la traction et la propulsion électriques : locomotives de 3kV, navires électriques, variateurs de vitesse de 4.5kV, ainsi que dans les systèmes de génération et de transport de l'énergie électrique. L'utilisation des convertisseurs multiniveaux dans les installations industrielles a été motivée par des avantages énergétiques, largement éprouvés de nos jours. Toutefois, ces convertisseurs présentent des inconvénients. On peut citer: le nombre élevé de composants électriques, la complexité de la commande, [1]. Ce chapitre comprend une présentation des différentes catégories d'onduleurs multiniveaux. Ensuite, nous décrivons les différentes stratégies de commande des onduleurs multiniveaux. 1.2. Les onduleurs multiniveaux: Les principales topologies des onduleurs multi-niveaux sont: 1) les onduleurs à diodes de bouclage (en anglais clamping diodes appelé diode clamp) NPC (Neutral Point Clamped) et MPC (Multiple Point Clamped); 2) l'onduleur à condensateur flotteur [ou Flying Capacitor (FC)]; 3) l'onduleur à pont en cascade H-bridge. 1.2.1. Les onduleurs multiniveaux avec diodes de bouclage: 1.2.1.1. Topologies NPC classiques : L'onduleur NPC (Neutral Point Clamped) est proposé par Baker, [5]. Cet onduleur permet d'avoir un niveau impair de tension, [1]. Le premier onduleur NPC a été développé pour une tension de sortie à trois niveaux par la superposition de deux interrupteurs élémentaires alimentés chacun par une source de tension continue distincte, [6]. __________________________________________________________________________________ 3 Chapitre un Etat de l'art des onduleurs multiniveaux Après le premier onduleur NPC breveté par Baker, d'autres chercheurs ont développé les différentes structures basées sur NPC. L'onduleur NPC permet de disposer d'un nombre impair de niveaux dans le motif de la tension en sortie, [1]. Cependant, l'onduleur MPC (Multiple Point Clamped) a été développé dans les années 90 pour un nombre pair de tensions. Ces deux types d'onduleurs sont montrés sur les figure (1-1) et figure (1-2). Les principaux avantages de l'onduleur NPC à trois niveaux sur onduleur classique à deux niveaux, [7] sont : - Les semi-conducteurs de puissance bloquent une tension inverse égale à la moitié de la tension de l'étage continu; - La topologie de base peut être facilement généralisée pour générer un convertisseur avec un nombre de niveaux supérieur. Figure (1-1) : Onduleur NPC à trois niveaux. Figure (1-2) : Onduleur MPC à quatre niveaux. Cependant, pour les topologies avec diodes de bouclage, la pratique a révélé plusieurs difficultés techniques qui compliquent ses applications au cas des grandes puissances. On peut citer : __________________________________________________________________________________ 4 Chapitre un - Etat de l'art des onduleurs multiniveaux Le NPC exige des diodes de bouclage à vitesse de commutation élevée qui doivent être capables de supporter le courant de la pleine charge. - Pour les topologies avec plus de trois niveaux, les diodes de bouclage (clamping diodes) peuvent augmenter les contraintes en tension. Une connexion série des diodes pourrait donc être exigée ce qui complique la conception et soulève des questions de fiabilité, et de coût de réalisation, [4-7]. - Le maintien de l'équilibre de la charge des condensateurs demeure toujours une question ouverte pour les topologies des onduleurs NPC avec plus de trois niveaux. Bien que le NPC à trois niveaux fonctionne avec un facteur de puissance élevé, l'onduleur NPC multiniveaux est employé surtout dans les circuits de compensation. Cela est dû au problème d'équilibrage des capacités. Pour un onduleur NPC ou MPC à k niveaux, les nombres d'éléments constituant les topologies NPC et MPC : s pour la source DC, bc pour les bancs de condensateurs, n pour les transistors de puissance et d pour les diodes de bouclage, sont donnés, pour chaque phase, par les relations du tableau suivant : Tableau (1-1) : Nombre d'éléments des onduleurs NPC et MPC multiniveaux. NPC MPC s 1 1 bc 2*(k -1) k- 1 n (k -1) 2*(k- 1) d 2*(k-2) K 1.2.1.2. Topologies basées sur NPC : Il existe plusieurs variantes de convertisseurs multiniveaux dont la configuration est une modification de la topologie NPC de base. Ces variantes permettent par exemple de repousser certaines limitations de la structure de base, comme l'inégalité des tensions inverses supportées par les diodes. La figure (1-3) montre 3 niveaux a NPC ; dans la configuration 3-b, les états de commutation peuvent être utilisés pour doubler la fréquence de découpage apparente, [1]. __________________________________________________________________________________ 5 Chapitre un Etat de l'art des onduleurs multiniveaux Figure (1-3) : Topologies basées sur le modèle NPC. 1.2.2. Les onduleurs multiniveaux à condensateur flotteur (ou FC) : Le convertisseur à condensateurs flottants (Flying Capacitor Multilevel Inverters) ou convertisseur multicellulaire est une topologie de conversion d'énergie qui repose sur la mise en série d'interrupteurs commandés. Elle est apparue au début des années 1990 à la suite d'un brevet déposé par Meynard et Foch. Cet onduleur est obtenu par raccordement de cellules de condensateurs de bouclage. L'avantage de cette topologie est l'absence des diodes de bouclage propres aux topologies des onduleurs NPC et MPC. De plus, les contraintes en tension imposées aux composants de puissance sont naturellement limitées : on note une faible valeur de dv/dt aux bornes des composants, [1]. Des "redondances" de commutation dans les séquences de fonctionnement introduisent des états qui peuvent être utilisés pour le maintien de l'équilibre des charges des condensateurs. Ainsi, par phase, une seule source DC est nécessaire. Les onduleurs FC peuvent présenter des nombres pairs ou impairs de niveaux, comme montre figure (1-4). Figure (1-4) : Onduleurs FC à trois et à quatre niveaux (par phase). Le FC a quelques inconvénients comme, [8]: - Le contrôleur de la charge du condensateur augmente la complexité du contrôle du circuit entier; __________________________________________________________________________________ 6 Chapitre un - Etat de l'art des onduleurs multiniveaux Il exige des condensateurs mis en parallèle, dont, les forts courants pourront circuler à travers ces condensateurs; - Il existe un potentiel de résonance parasite entre les condensateurs découplés. Pour un onduleur à k niveaux, le nombre des éléments constituant la topologie : s pour la source DC, bc pour les bancs de condensateurs, n pour les transistors de puissance est donné, pour chaque phase, par les relations suivantes : 𝑠=1 𝑛 = 2 ∗ (𝑘 − 1) 𝑏𝑐 = (𝑘 − 2) (1 − 1) 1.2.3. Les onduleurs multiniveaux en pont en H (H-Bridge) : 1.2.3.1. H-Bridge Classiques : Le premier modèle d'onduleur était l'onduleur en pont en H (en anglais H-bridge), apparu en 1975, [4-8]. Un progrès des onduleurs multiniveaux a été dû au modèle en pont en H cascadé en série. La première application d'onduleur en pont en H était pour la stabilisation des plasmas en 1988, [1]. Les sorties des onduleurs en pont sont connectées en série de telle sorte que l'onde de la tension synthétisée soit la somme des tensions de sortie. L'avantage majeur de cette approche est que le nombre de paliers sur le motif de la tension de sortie peut être augmenté sans aucun ajout de nouveaux composants. L'utilisation de cellules de conversion de puissance en série permet d'accroître le nombre de niveau de tension et de puissance du convertisseur. Mais l'inconvénient majeur de cette topologie est le grand nombre de tensions continues isolées exigées pour chaque pont. Figure (1-5) : Onduleur en pont en H à 5 niveaux, monophasé (à gauche) et triphasé (à droite). __________________________________________________________________________________ 7 Chapitre un Etat de l'art des onduleurs multiniveaux Pour un onduleur à k niveaux, le nombre des éléments constituant sa topologie : s pour les sources DC isolées, m pour les transistors de puissance sont données, pour chaque phase, par les relations suivantes : 𝑠 = (𝑘 − 1)/2 𝑚 = 2 ∗ (𝑘 − 1) (1 − 2) Cependant, les cellules peuvent être alimentées par des transformateurs à phase décalée de moyenne tension afin de fournir une puissance plus élevée. Dans ce cas, si nombre de sources indépendantes, le nombre de niveaux de la tension en sortie nn ns est le est donné par l'équation ci-dessous, [1] : 𝑛𝑛 = 2𝑛𝑠 + 1 (1 − 3) 1.2.3.2. Topologies basées sur le pont en H : Une autre structure couramment utilisée des onduleurs en pont en H est la topologie parallèle de phase. Dans cette topologie chaque phase est connectée à un en pont en H et reliée à un transformateur par des bobines d'interphase composées des enroulements de transformateurs avec différents rapports de transformation. Le grand avantage de cette structure est qu'elle utilise une seule source de tension continue, et par le biais des bobines d'interphase elle est utilisable pour les courants élevés, bien que les échelles de tension et de courant des transistors soient réduites, [1]. Figure (1-6) : Un modèle de topologie parallèle de phase avec bobine d'interphase. Une autre topologie développée à partir d'un onduleur en pont en H est un pont de Vienna commutateur bidirectionnel reliant le point central de la banque de condensateurs à une charge figure (1-7), [7]. __________________________________________________________________________________ 8 Chapitre un Etat de l'art des onduleurs multiniveaux Figure (1- 7) : Un onduleur de tension en pont en H avec un pont de Vienna. 1.3. Etat de l'art des stratégies de commande des onduleurs Multiniveaux: Les stratégies de commande des convertisseurs multiniveaux sont adaptées de celles qui sont appliquées aux convertisseurs à deux niveaux. Dans cette section, nous présentons quelques unes d'entre elles. 1.3.1. Commande par paliers : La méthode de commande par paliers consiste à quantifier la grandeur de référence (l'image du fondamental), en un nombre déterminé de paliers, comme l'illustre la figure (1-8). Cette méthode de commande offre deux degrés de liberté à l'utilisateur : - Le convertisseur peut être à pas uniforme, dans ce cas les tensions E1, E2, E3= E. Les angles de commutations αi sur une période (αi , i = 1…α / 2 ) peuvent donc être choisis de façon à atteindre certaines performances. - Le pas de la tension et les angles de commutation peuvent être choisis afin de pouvoir obtenir la minimisation du taux de distorsion harmonique, la suppression de certaines harmoniques à basses fréquences entre autres. Cette commande est facile à implémenter et pour passer d'un niveau de tension à l'autre les angles de commutation peuvent être déterminés à l'avance. Dans cette technique de commande, on constate que les différentes cellules n'ont pas une même durée de conduction. Il en résulte donc un déséquilibre dans la répartition des pertes par commutation et par conduction. Par une rotation adéquate des commutations, ces pertes peuvent être équilibrées entre les différentes cellules, sans modification de l'onde de tension générée à la sortie du convertisseur, [1]. __________________________________________________________________________________ 9 Chapitre un Etat de l'art des onduleurs multiniveaux Figure (1-8) : Forme d'onde multiniveau (7 niveaux) générée par une commande par paliers et tensions aux bornes de trois cellules en série sur une phase. 1.3.2. Modulation Sinusoïdale (MS) : 1.3.2.1. MS classique mono-porteuse : La technique de modulation de largeur d'impulsions (MLI ; en anglais : Pulse Width Modulation, soit PWM), est la plus utilisée pour la commande des onduleurs classiques (deux niveaux). C'est aussi la stratégie de modulation la plus utilisée dans les onduleurs multiniveaux dite à modulation sinusoïdale. Elle consiste à comparer d'une onde de référence ou modulante, généralement sinusoïdale (le signal à synthétiser) à une porteuse généralement triangulaire figure (1-9), [1]. Le signal de sortie change d'état à chaque intersection de la modulante et de la porteuse. Figure (1-9) : MLI Classique intersective. 1.3.2.2. Modulation sinusoïdale multi-porteuse : Dans les onduleurs multiniveaux, nous observons souvent les modulations sinusoïdales multi-porteuses. On peut diviser la modulation sinusoïdale multi-porteuse en trois catégories : 1) Classique; 2) Commande modifiée de premier type ; 3) Commande modifiée de second type ; __________________________________________________________________________________ 10 Chapitre un Etat de l'art des onduleurs multiniveaux En général, pour la commande d'un onduleur à k niveaux, nécessite k-1 ondes porteuses. 1.3.2.3. Modulation sinusoïdale multi-porteuse classique : Dans cette technique de modulation nous utilisons les différentes porteuses afin de pouvoir construire toutes les commandes nécessaires à tous les interrupteurs. Dans cette technique, la référence est comparée en permanence avec chacun des signaux triangulaires. Si la référence est supérieure à un signal triangulaire, le signal de sortie vaut 1, donc l'interrupteur correspond à cette modulation est actif, si la référence est inférieure à un signal triangulaire, le signal de sortie change donc d'état. A titre d'exemple, pour un onduleur à trois niveaux, les deux signaux triangulaires ont même fréquence et même amplitude, c'est la modulation sinusoïdale à double triangle. La figure (1-10) ci-dessous montre une modulation sinusoïdale avec deux signaux triangulaires. Figure (1-10) : Principe de la MLI à doubles triangles. 1.3.2.4. Modulation sinusoïdale modifiée de premier type (MSM1) : Ce genre de modulation permet de diminuer la valeur de la tension homopolaire générée par les techniques de modulation MLI, [1]. On y utilise trois signaux sinusoïdaux de référence Vref1, Vref 2 et Vref3 décalés de 120°, et une seule onde porteuse. Les résultats de la comparaison donnent trois nouveaux signaux respectivement V1, V2 et V3, figure (1-11). On combine ces signaux entre eux pour donner les signaux : __________________________________________________________________________________ 11 Chapitre un Etat de l'art des onduleurs multiniveaux 𝑉1 − 𝑉2 2 𝑉2 − 𝑉3 𝑉𝐵𝑂 = 2 𝑉3 − 𝑉1 𝑉𝐶𝑂 = 2 𝑉𝐴𝑂 = (1 − 4) Figure (1-11) : Modulation sinusoïdale modifié. Afin de généraliser cette technique aux onduleurs de niveaux supérieurs à trois, on doit déterminer le nombre de triangulaire requises pour les niveaux impairs. Cette relation est définie par la relation suivante : 𝑛𝑃 = 𝑘−1 2 - nP est le nombre de triangulaires. - k est le nombre de niveau. (1 − 5) 1.3.2.5. Modulation sinusoïdale modifiée de deuxième type (MSM2) : Cette technique de modulation développée pour la première fois par Menzies est aussi appelée MLI optimale (Sub-Harmonic Optimal "SHO-PWM") Figure (1-12). Dans cette technique, nous comparons le signal de référence avec les multi-porteuses (multi-triangulaire) selon la figure (1-13). Cette méthode prend instantanément la moyenne du maximum et du minimum des trois tensions de référence (Va, Vb, Vc) et soustrait cette valeur de chacune des tensions de référence, c'est-à-dire, __________________________________________________________________________________ 12 Chapitre un Etat de l'art des onduleurs multiniveaux Voffset = Max(Va ,Vb ,Vc )+Min(Va ,Vb ,Vc ) 2 (1 − 6) VaSHO = Va − Voffset 𝑉𝑏𝑆𝐻𝑂 = 𝑉𝑏 − 𝑉𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡 (1 − 7) 𝑉𝑐𝑆𝐻𝑂 = 𝑉𝑐 − 𝑉𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡 Le schéma équivalent analogique pour la commande est illustré à la figure (1-12). Figure (1-12) : Circuit analogique qui ajoute la séquence de zéro pour SFO-PWM. Afin de pouvoir appliquer cette méthode aux onduleurs classiques, il faut connaitre : 1) La modulation d'amplitude; 𝐴 𝑚𝑎 = 𝐴 𝑟 𝑝 (1 − 8) 2) Le rapport de fréquence; 𝑚𝑓 = 𝑓𝑝 , 𝑓𝑟 - Ar L'amplitude de référence. - Ap L'amplitude de porteuse. - fr La fréquence de référence. - fp La fréquence de porteuse. (1 − 9) Pour utiliser le MSM2 à un onduleur multiniveau, il faut connaitre trois paramètres importants : 1) Le nombre de niveau est k. 2) La modulation d'amplitude pour les onduleurs multiniveaux qui peut être calculé: 𝑚𝑎 = 𝐴𝑟 (𝑘 − 1)𝐴𝑝 (1 − 10) Dans la méthode SHO, la minimum et la maximum valeur de modulation peut être calculé comme : __________________________________________________________________________________ 13 Chapitre un Etat de l'art des onduleurs multiniveaux 𝑚𝑎 𝑚𝑖𝑛 = 𝑘−3 𝑘 − 1.4 (1 − 11) 𝑚𝑎 𝑚𝑖𝑛 = 1.15 3) Le rapport de fréquence, 𝑚𝑓 = 𝑓𝑝 (1 − 12) 𝑓𝑟 Figure (1-13) : Forme d'ondes des multi porteuses est basé sur SFO-PWM (k = 6, mf = 21, ma = 0.8). La technique SHO peut augmenter le taux de modulation de 15 pour cent pour attendre l'over-modulation (saturation). Pour résumer les stratégies de commande les plus courantes, figure (1-14) illustre trois grandes techniques de la méthode de porteuse utilisées dans un onduleur classique et qui peut être également appliquée à un onduleur multiniveau : - MLI sinusoïdale (MLIS ou en anglais SPWM); - Injection de troisième harmonique à MLI (THMLI ou en anglais THPWM ou encore SHOPWM); - MLI vectoriel (MLIV); - MLIS (en anglais SPWM) est une méthode très populaire dans les applications industrielles, [1]. __________________________________________________________________________________ 14 Chapitre un Etat de l'art des onduleurs multiniveaux SPWM THPWM SVM Figure (1-14) : Les trois techniques importantes pour la stratégie de commande. 1.4. Avantages des Onduleurs Multiniveaux : Les onduleurs multiniveaux offrent d'énormes avantages par rapport aux onduleurs 2-niveaux. Ces avantages sont visibles, d'une part d'un point de vue technologique et d'autre part d'un point de vue fonctionnel: 1.4.1. Les Avantages technologiques : Dans les onduleurs multiniveaux, la répartition de la tension est obtenue de manière naturelle en régime établi, ce qui permet de commuter chaque semi-conducteur indépendamment des autres. Ceci rend le convertisseur plus robuste et plus performant pendant les commutations. La tension commutée est d'amplitude réduite et la commutation est donc plus simple à gérer. 1.4.2. Les Avantages fonctionnelles pour le convertisseur : Possibilité d'accéder à des applications de plus forte puissance, [9]. Possèdent de meilleurs compromis entre performances statiques (tension de saturation) et performances dynamiques (temps de commutation, pertes par commutation, fréquence de découpage), [10]. 1.4.3. Les Avantages fonctionnelles pour les machines tournantes : Le nombre de tension généré par un onduleur multi-niveaux plus élevé que celui d'onduleur 2-niveaux de tension, permet d'améliorer la qualité de sa forme d'onde, qui se __________________________________________________________________________________ 15 Chapitre un Etat de l'art des onduleurs multiniveaux traduira par une réduction de sa distorsion harmonique, [9]. Ceci peut entraîner des avantages considérables comme la diminution des pertes fer, l'augmentation du temps de vie des isolants ou la diminution du rayonnement électromagnétique issu des bobinages de la machine. 1.5. Domaines d'applications des onduleurs multi-niveaux: Les convertisseurs multiniveaux étaient destinés à la base à résoudre certains problèmes posés par l'utilisation des convertisseurs à deux niveaux de tension, monophasés ou triphasés. Ils sont donc utilisés afin de régler la fréquence et l'amplitude de la tension, mais aussi pour le transfert d'énergie entre une ou plusieurs sources d'alimentation à courant continu ou alternatif et une charge à courant alternatif monophasé ou triphasé. Cette utilisation ouvre plusieurs opportunités d'applications, dont quelques-unes sont : - Application dans le domaine de la traction ferroviaire et urbaine; - Application dans l'alimentation des réseaux de bord et de propulsion des bâtiments maritimes; - Application dans le domaine des réseaux électriques; - Application dans le domaine de l'alimentation des machines électriques. 1.6. Conclusion : Dans ce chapitre, on a présenté les différents types des onduleurs multiniveaux. Ensuite les techniques de commandes associées sont discutées, aussi présenté avant d'entamer l'étude de l'onduleur multiniveaux qui présente notre intérêt dans cette étude. Les différentes topologies de base de ce dernier sont données toute en exposant leurs avantages à savoir : - La topologie NPC permet de réduire le taux de distorsion harmonique, et l'augmentation du niveau des tensions générées; - La topologie a condensateur flottant aussi permet la réduction du taux de distorsion mais elle constitue un grand nombre de condensateur; - La topologie en cascade ou le nombre de niveaux possible de tension de sortie et plus du double de nombre de sources à courant continu. On a aussi présenté les différentes techniques de commande relative à ce type de convertisseur, et quelques exemples d'application de la conversion multiniveau. Le chapitre suivant, sera consacré à l'étude de l'onduleur de type cascade en pont en H en mettant l'accent sur le principe de fonctionnement de l'onduleur trois niveaux et cinq niveaux. __________________________________________________________________________________ 16 Chapitre deux Onduleur multiniveaux en pont en H symétrique 2.1. Introduction : Un onduleur est un convertisseur statique, assurant la conversion continu alternatif. Ces dernières années, des convertisseurs statiques sont de plus en plus exploités dans des applications diverses. Certaines d'entre elles exigent une alimentation électrique à haute ou moyenne tension, facilement réglable et ayant de bonnes performances spectrales. De nouvelles techniques dites multiniveaux ainsi que de nouvelles topologies de convertisseurs ont été développées. Elles permettent de générer plusieurs niveaux de tension à la sortie du convertisseur. Le nombre de semi-conducteurs nécessaires à la réalisation de ces topologies augmente avec le nombre de niveaux désirés, [11]. Ce chapitre représente une étude comparative de structures d'onduleurs multiniveaux à potentiels distribués cascade en pont en H, nous faisons une analyse théorique des convertisseurs cascade en pont en H de niveaux trois et cinq suivie de l'application des stratégies de commande des onduleurs multi niveaux : la commande plein onde et la commande trianguler- sinusoïdale. 2.2. Onduleurs multiniveaux symétriques : La dénomination complète de cette topologie, introduite par (Marchesoni et al.) en 1988, [12], devrait être onduleur multiniveaux symétriques à cellules en série. Ces onduleurs sont également connus sous l'appellation «onduleurs multiniveaux cascadés» («cascade multilevel inverter» dans la littérature anglosaxonne). Cette dénomination est imprécise, elle provient du fait que la structure n'a tout d'abord été employée qu'avec des cellules symétriques, de sorte que la précision était superflue. 2.2.1. Principes de base : Le principe assez naturel consiste à connecter en série des ponts en H, comme illustré à la figure (2-1). En ne prenant en considération que les 3 niveaux distincts générés par chacune de ses cellules, un convertisseur composé de m ponts en H connectés en série dispose de 3m états de commutation distincts. Dans la plupart des cas, les cellules sont équivalentes et il y a autant de manières de générer un niveau, qu'il y a de permutations possibles des cellules, et de combinaisons distinctes de niveaux d'onduleur conduisant à cette valeur 2. A titre d'exemple, un convertisseur composé de 4 cellules possède deux combinaisons de niveaux conduisant à 2: __________________________________________________________________________ 17 Chapitre deux Onduleur multiniveaux en pont en H symétrique Tableaux (2-1) : Principes de base. Us,1 Us,2 Us,3 Us,4 Us +1 +1 0 0 +2 +1 +1 +1 -1 +2 Pour la première combinaison, 6 permutations des cellules sont possibles, 4 pour la deuxième, ce qui fait un total de 10 possibilités pour générer le niveau 2 sur un total de 34=81 états possibles. A priori, la commande doit permettre de répartir la puissance et les commutations de manière équivalente sur les cellules, [13]. 2.2.2. Alimentation des cellules : La principale difficulté de cette topologie réside dans l'alimentation des ponts en H. Il faut autant d'alimentations isolées les unes des autres qu'il y a de cellules. Pour des applications ne nécessitant pas d'apport de puissance active, on peut se passer d'alimentation et se contenter d'éléments stockeurs, comme des condensateurs. C'est par exemple le cas avec la compensation statique de réactif ou d'harmoniques. Cette structure est très avantageuse pour ce type d'applications, le seul inconvénient étant que les échanges de puissance entre phases ne sont pas possibles, ce qui a pour effet d'augmenter les fluctuations de tension (par rapport à une structure permettant ces échanges). Figure (2-1) : Schéma d'une branche d'onduleur multiniveau cascadé. Pour d'autres applications, lorsque la réversibilité en puissance n'est pas requise, on peut se contenter de réaliser les sources de tension avec des redresseurs à diode. P.W. Hammond, [14] (solution Rubicon) propose d'alimenter les cellules à partir de redresseurs isolés les uns des autres par des transformateurs triphasés à fréquence industrielle. De plus par le biais de groupes horaires, les harmoniques injectés par les redresseurs du côté du réseau sont limités. Cette structure peut simplement être généralisée pour un grand nombre de __________________________________________________________________________ 18 Chapitre deux Onduleur multiniveaux en pont en H symétrique niveaux. La tension d'isolation entre les différentes cellules, leurs alimentations et leurs commandes doit être celle de la tension complète de l'onduleur, ce qui ne va pas sans poser des problèmes de réalisation. Pour certaines applications, la réversibilité en puissance est nécessaire. Cela peut être le cas en traction, lorsqu'on veut faire de la récupération au freinage. 2.2.3. Variante des onduleurs multiniveaux symétriques : Le problème de l'isolation galvanique peut être contourné en effectuant la mise en série à travers un transformateur basse fréquence. Pour cela, des onduleurs sont mis en parallèle du côté continu, leurs côtés alternatifs allant sur des enroulements d'un seul enroulement haute-tension par phase. Ce type de convertisseur a été réalisé industriellement pour une puissance de 100 MVA, [15]. D'autres variantes utilisant des transformateurs basse fréquence ou des enroulement de moteur pour additionner les tensions ont été étudiées, parmi lesquelles on trouve, [16]. Primaires distincts d'un transformateur basse fréquence (à la fréquence de fonctionnement de la charge). Les contributions des différentes cellules sont ajoutées au niveau magnétique du noyau du transformateur, le secondaire étant constitué d’un seul enroulement haute-tension par phase. Ce type de convertisseur a été réalisé industriellement pour une puissance de 100 MVA, [17]. D'autres variantes utilisant des transformateurs basse fréquence ou des enroulement de moteur pour additionner les tensions ont été étudiées, parmi lesquelles on trouve, [18]. 2.3. Uniformité du pas des onduleurs multiniveaux à cellules en série : 2.3.1. Niveaux et pas des onduleurs multiniveaux : Un onduleur multiniveaux peut être considéré comme une source de tension contrôlable, capable de prendre un nombre limité de valeurs de tension de sortie. Nous appellerons ces valeurs, les niveaux de l'onduleur, et la différence entre 2 niveaux successifs, le pas de l'onduleur. Lorsque les tensions d'entrée sont équilibrées, le pas des topologies d'onduleurs existantes est toujours uniforme. Un pas uniforme permet d'obtenir des lois de commande simples. Dans cette première partie, nous allons décrire les conditions que les tensions d'entrées doivent respecter pour obtenir l'uniformité du pas, [19]. 2.3.2. Condition d'uniformité du pas : Il a été établi que les facteurs 2 et 3 entre les tensions d'entrée des différentes cellules, [20] étaient des cas particuliers permettant d'obtenir un pas uniforme. __________________________________________________________________________ 19 Chapitre deux Onduleur multiniveaux en pont en H symétrique 2.3.2.1. Condition d'uniformité pour 2 cellules : Pour obtenir une cellule à pas uniforme en associant 2 cellules à pas uniforme en série, le pas de chacune des cellules doit respecter l'inégalité suivante : ∆𝑈𝐴 ≤ ∆𝑈𝐵 ≤ 𝑎 ∙ ∆𝑈𝐴 (2 − 1) avec ΔUA et ΔUB le pas des cellules, a le nombre de niveaux de la cellule ayant le plus petit pas. D'autre part, ΔUB doit être un multiple de ΔUA. 2.3.2.2. Amplitude de la sortie et nombre de niveaux : Les 2 expressions suivantes permettent d'obtenir l'amplitude maximale de la tension de sortie ΔU𝑜𝑘 et le nombre de niveaux Nk d'un onduleur constitué de k cellules : 𝑘 ΔU𝑜𝑘 = ∑(𝑛𝑗 − 1) ∙ ∆𝑈𝑗 (2 − 2) 𝑗=1 ∑𝑘𝑗=1(𝑛𝑗 − 1) ∙ ∆𝑈𝑗 ΔU𝑜𝑘 𝑁 = +1=1+ ∆𝑈1 ∆𝑈1 𝑘 (2 − 3) 2.3.2.3. Condition générale d'uniformité : A partir des relations (1) et (3), nous obtenons la condition d'uniformité pour un nombre quelconque de cellules : ∆𝑈𝑘 ≤ ∆𝑈𝑘+1 ≤ ∆𝑈1 + (𝑛𝑗 − 1) ∙ ∆𝑈𝑗 (2 − 4) avec ΔUk et nk le pas et le nombre de niveaux de kième cellule; ΔU1 est également le pas de l'onduleur résultant. 2.3.3. Condition d'uniformité du pas des onduleurs 3 niveaux : Un cas particulier intéressant est la combinaison série de ponts en H à 3 niveaux. Dans ce cas, la condition d'uniformité peut-être exprimée en fonction des tensions d'entrée : 𝑘 𝑈𝑖,𝑘 ≤ 𝑈𝑖,𝑘+1 ≤ 𝑈𝑖,1 + 2 ∑ 𝑈𝑖,𝑗 (2 − 5) 𝑗=1 Avec Ui,1 le pas de l'onduleur résultant et Ui,k la tension d'entrée de la kième cellule, [19]. Figue (2-2) : connexion série de 2 cellules. __________________________________________________________________________ 20 Chapitre deux Onduleur multiniveaux en pont en H symétrique 2.4. Onduleur monophasé en pont complet (en H): En 1975 les auteurs ont proposé une structure d'un convertisseur multiniveaux basée sur la mise en série d'onduleurs monophasés ou pont en H, ou cellule partielle (structure cascade). Chaque cellule partielle est alimentée par une tension continue Ej. Le convertisseur est dit uniforme ou régulier si la différence entre deux niveaux consécutifs est constante. Autrement dit : 𝐸2 − 𝐸1 = 𝐸3 − 𝐸2 = ⋯ = ∆𝑈 (2 − 6) Dans le cas contraire, le convertisseur est dit non uniforme ou irrégulier. Pour obtenir un onduleur multiniveaux asymétrique à pas uniforme ou régulier, les tensions continues d'alimentation des cellules partielles Ej= ( j=1…k ) doivent respecter les deux conditions suivantes : 𝐸1 ≤ 𝐸2 ≤ ⋯ ≤ 𝐸𝑘 (2 − 7) 𝑗−1 𝐸𝑗 ≤ 1 + 2 ∑ 𝐸𝑙 (2 − 8) 𝑙=1 j : Numéro de niveaux. Et k : Nombre de pont complet. Le nombre de niveaux N pour un groupe de tensions données, s’obtient à partir de la relation suivante, [21] : 𝑘 𝑁 = 1 + 2 ∑ 𝐸𝑗 (2 − 9) 𝑗=1 Le nombre de niveaux minimum Nmin, et le nombre maximum Nmax que l'on peut générer est obtenu dès lors que chaque Ej prend sa valeur minimale, respectivement maximale. Nous avons donc les deux relations ci-dessous, [22]. 𝑁𝑚𝑖𝑛 = 2𝑘 + 1 (2 − 10) 𝑁𝑚𝑎𝑥 = 3𝑘 (2 − 11) Le nombre N dépend non seulement du nombre d'onduleurs partiels en série par phase, mais aussi de la tension continue qui alimente chacun d'eux, [21]. 2.5. Dimensionnement d'un onduleur de type Cascade en pont en H: 2.5.1. Onduleur à trois niveaux de type Cascade en pont en H: a. Structure : La structure d'un convertisseur multiniveaux basée sur la mise en série d'onduleurs monophasés (ou pont en H, ou cellule partielle) est montrée sur la figure (2-3). __________________________________________________________________________ 21 Chapitre deux Onduleur multiniveaux en pont en H symétrique Figure (2-3) : Schéma triphasé d'un onduleur cascade en pont en H à 3 niveaux. Les cellules y sont connectées en étoile, cependant il est également possible de les connecter en triangle. Chaque cellule de l'onduleur est alimentée par une source continue E et est composée de quatre interrupteurs qui sont unidirectionnels en tension et bidirectionnels en courant : il s'agit d'associations classiques d'un transistor et d'une diode en antiparallèle. Les sources doivent être galvaniquement isolées les unes des autres, afin d'éviter un court-circuit lors de leur mise en série, [23]. b. Principe de fonctionnement : Pour mieux comprendre le fonctionnement de la structure cascade en pont en H à trois niveaux de tension, nous allons nous limiter notre étude à sa structure monophasée, figure (2-4). La structure d'un bras d'onduleur trois niveaux de type cascade en pont en H est identique à celui d'un onduleur classique monophasé en pont complet voir figure (2-4). Cependant la technique de commande est différente ce qui permettra d'avoir les trois niveaux de tension. Figure (2-4) : Bras d'onduleur cascade en pont en H à trois niveaux. L'objectif visé est donc de déterminer les valeurs que peut prendre la tension Vao pour les différents états possibles des interrupteurs, de montrer les séquences de conductions des interrupteurs. __________________________________________________________________________ 22 Chapitre deux Onduleur multiniveaux en pont en H symétrique Nous avons trois séquences de fonctionnement possibles: Séquences 1 : Génération du niveau maximum Dans ce cas, les interrupteurs KI, K4 sont passants et K2, K3 sont bloqués comme le montre la figure ((2-5)-a). Et la tension de sortie Vao est: Vao = +E. La tension inverse appliquée aux interrupteurs K2, K3 vaut: VK3 = VK2 = +E. Figure (2-5) : Séquences de fonctionnement d'un bras d'onduleur trois niveaux en pont en H. Séquences 2 : Génération du niveau intermédiaire Dans ce cas, les interrupteurs K2, K4 sont passants et KI, K3 sont bloqués comme le montre la figure ((2-5)-c). Et la tension de sortie Vao est: Vao = 0. La tension inverse appliquée aux interrupteurs KI, K3 vaut: Vk1 = VK3 = +E. Séquences 3 : Génération du niveau minimum Dans ce cas, les interrupteurs KI, K4 sont bloqués et K2, K3 sont passants comme le montre la figure ((2-5)-b). Et la tension de sortie Vao est: Vao = -E. La tension inverse appliquée aux interrupteurs KI, K4 vaut: VK1 = VK4 = +E. Les 3 états ou séquences de commutation possibles sont résumés au tableau (2-2). Tableau (2-2) : États possibles de 1'onduleur Cascade à 3 niveaux. K1 1 0 0 K2 0 1 0 K3 0 0 1 K4 1 1 1 Vao +E 0 -E 2.5.1.1. Onduleur monophasé à trois niveaux : a. La stratégie de commande en pleine onde : L'idée de cette structure est basée sur la création d'un point milieu qui nous aide à la mise à zéro de l'onduleur de tension à trois niveaux, qui est illustré par l'angle d'allumage α=15° ou le retard imposé à la commande des interrupteurs. __________________________________________________________________________ 23 Chapitre deux Onduleur multiniveaux en pont en H symétrique La tension continue E est répartie de façon égale entre les deux sources secondaires alimentant chacun notre onduleur de tension. La commande d'ouverture et de fermeture des interrupteurs est réalisée par des blocs « Pulse Générateur ». Les interrupteurs en bas de l'onduleur sont commandés de façon complémentaire aux interrupteurs de haut. Figure (2-6) : Schéma bloc d'un onduleur cascade en pont en H à trois niveaux. Résultat de simulation : L'idée serait d'obtenir une tension (ou courant) de sortie de forme sinusoïdale. La commande décalée fournit un signal plus proche de la forme sinusoïdale. La séquence de commande des interrupteurs d'un onduleur à trois niveaux est représentée à la figure (2-7), pendant une période (T = 2.10-2s). La tension continue d'alimentation de l'onduleur est E=100V et l'angle de décalage α = 15º, R= 10 Ω et K1 1 0.5 0 K2 1 0.5 0 K3 1 0.5 0 K4 L = 40 mH. 1 0.5 0 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0 0.005 0.01 0.015 0.02 Figure (2-7) : Séquence de commande d'un onduleur à trois niveaux (K1, K2, K3, K4). __________________________________________________________________________ 24 Tension Vs( Chapitre deux 50 0 -50 Onduleur multiniveaux en pont en H symétrique -100 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Temps (s) 150 Fundamental (50Hz) = 123 , THD= 31.90% 100 Amplitude (% of Fundamental) 100 Tension Vs(V) 50 0 -50 60 40 20 Selected signal: 5 cycles. FFT window (in red): 3 cycles -100 -150 80 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 50 0.06 Temps (s) 0 5 Figure (2-8) : la tension de sortie. 15 20 -5 Figure (2-9) : Spectre harmonique de la tension. 0 0.02 10 0.04 0.06 Time (s) 0.08 0.1 Fundamental (50Hz) = 7.656 , THD= 10.31% 100 8 Amplitude (% of Fundamental) 6 4 Courant Is(A) 10 Ordre harmonique 0 2 0 -2 -4 -6 80 60 40 20 -8 -10 0.04 0.05 0.06 0.07 Temps (s) 0.08 0.09 0.1 Figure (2-10) : le courant de sortie. 0 0 5 10 15 20 Ordre harmonique Figure (2-11) : Spectre harmonique du courant. Interprétation des résultats : La forme d'onde obtenue avec une commande décalée sur la figure (2-8) montre bien une allure de trois niveaux de tension : (100V, 0,- 100V). b. La stratégie de Modulation de largeur d'impulsion (MLI) : On crée deux signaux: - Un signal sinusoïdal d'amplitude et de fréquence variable appelé (référence) Vref. - Un signal triangulaire de fréquence très élevée appelé (porteuse) Vp. Ces deux signaux son comparés. Le résultat de la comparaison sert à commander l'ouverture et la fermeture des interrupteurs du circuit de puissance. Si Vref ≥Vp, Vsortie =1 ; Si Vref<Vp , Vsortie =0. __________________________________________________________________________ 25 Chapitre deux Onduleur multiniveaux en pont en H symétrique Figure (2-12) : Schéma bloc d'un onduleur cascade en pont en H à trois niveaux. Vref, Vp1, Vp2 2 t Vref Vp1 Vp2 1 0 -1 -2 0 0.005 0.01 0.015 0.02 Temps (s) Figure (2-13) : Principe de la MLI à deux porteuses pour un onduleur à trois niveaux. Résultats de simulation : Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 3 cycles Tension Vs(V) 100 Dans ce cas, on utilise la technique MLI à deux 50porteuses figure (2-13). A 3 niveaux, la 0 modulante est comparée à 2 porteuses triangulaires. Les trois niveaux de la tension de sortie « Vs » sont : 0, +E et -E. -50 -100 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Temps (s) 150 Fundamental (50Hz) = 83.22 , THD= 72.66% 100 90 Amplitude (% of Fundamental) Tension Vs(V) 100 50 0 -50 -100 80 70 60 50 40 30 20 10 -150 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Temps (s) Figure (2-14) : la tension de sortie. 0 0 5 10 15 20 Ordre harmonique Figure (2-15) : Spectre harmonique de la tension. __________________________________________________________________________ 26 5 0 Chapitre deux Onduleur multiniveaux en pont en H symétrique -5 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 Time (s) 0.09 6 Fundamental (50Hz) = 5.182 , THD= 3.67% 100 Amplitude (% of Fundamental) 4 Courant Is(A) 2 0 -2 -4 -6 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 80 60 40 20 0 0.1 Figure (2-16) : le courant de sortie. 0 5 10 15 20 Ordre harmonique Temps (s) Figure (2-17) : Spectre harmonique du courant. Interprétation des résultats : La forme d'onde obtenue à la figure (2-14) montre bien une allure de trois niveaux de tension : +E, 0,- E. 2.5.1.2. Conduite de la MAS alimentée par un onduleur de type en pont en H : a. La stratégie de commande en pleine onde : La commande en pleine onde est une commande classique souvent utilisé pour la commande des onduleurs, [24]. Plusieurs cas qui se différencient par les manières d'élabore la séquence de commande des interrupteurs et de régler la valeur de la tension à la sortie de l'onduleur pour alimenter la machine asynchrone. Plusieurs commandes pleines ondes sont possibles pour cet onduleur. Cette stratégie consiste à générer un système de tension dans les fondamentaux constituent un système triphasées équilibre, [25]. Le schéma bloc de la machine asynchrone est présenté par la figure (2-18) : Figure (2-18) : schéma block d'un onduleur cascade en pont en H à trois niveaux triphasés. __________________________________________________________________________ 27 Chapitre deux Onduleur multiniveaux en pont en H symétrique La séquence de commande des interrupteurs d'un onduleur à trois niveaux est 0.01 0.02 0.01 0.02 0.01 0.02 K7 0 1 0.5 0 0 1 0.5 0 0 K9 0 0.01 0.02 0 1 0.5 0 0 1 0.5 0 0 0.01 0.02 0.01 0.02 0.01 0.02 1 0.5 0 0 0.01 1 0.5 0 K10 1 0.5 0 K11 0.02 1 0.5 0 K12 K5 0.01 K8 K4 0 K6 K1 1 0.5 0 K3 1 0.5 0 K2 représentée à la figure (2-19) : 0 1 0.5 0 0 1 0.5 0 0 0.02 0.01 0.02 0.01 0.02 0.01 0.02 Figure (2-19): Séquence de commande d'un onduleur à trois niveaux (K1, ….., K12). Résultats de simulation : Les figures (2-20) et (2-22) et (2-24) montrent les allures des tensions simples et composées et tension des phases à la sortie de l'onduleur trois niveaux. Les figures (2-26), (2-28), (2-29), (2-30), (2-31) représentent les formes du courant de phase, la vitesse et le couple de la machine asynchrone pour α=15º et Cr=5N.m à t=1ms. Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 3 cycles 100 100 Tension Vao(V) Tension Vao(V) 200 0 -100 -200 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Temps (s) 50 0 -50 -100 0 0.01 0.02 100 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Temps (s) 200 Tension Vco(V) 0.05 0.06 Fundamental (50Hz) = 122.9 , THD= 31.91% -100 100 0 -100 -200 0.04 100 0 -200 0.03 Temps (s) 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 Temps (s) Figure (2-20) : Tensions simples Vao, Vbo,et Vco à la sortie de l'onduleur. 0.06 Amplitude (% of Fundamental) Tension Vbo(V) 200 80 60 40 20 0 0 5 10 15 20 Ordre harmonique Figure (2-21) : Spectre harmonique de la Tension simple Vao. __________________________________________________________________________ 28 Chapitre deux Onduleur multiniveaux en pont en H symétrique Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 3 cycles 200 200 0 -200 -400 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Tension Vab(V) Tension Vab(V) 400 100 0 -100 -200 Temps (s) 0 0.01 0.02 Tension Vca(V) 0.06 Fundamental (50Hz) = 213 , THD= 16.89% -200 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 400 200 0 80 60 40 20 -200 -400 0 0 0.01 0.02 0.03 Temps (s) 0.04 0.05 0.06 Figure (2-22) : Tensions composées Vab, 0 10 15 20 Figure (2-23) : Spectre harmonique de la Tension composée Vab. 200 Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 3 cycles Tension Van(V) 100 0 -100 -200 5 Ordre harmonique Vbc, et Vca à la sortie de l'onduleur. Tension Van(V) 0.05 100 Temps (s) 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 100 50 0 -50 -100 0.06 0 Temps (s) 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Temps (s) 200 Fundamental (50Hz) = 123 , THD= 16.86% 100 100 0 -100 -200 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Temps (s) 200 100 0 Amplitude (% of Fundamental) Tension Vbn(V) 0.04 0 Amplitude (% of Fundamental) Tension Vbc(V) 200 -400 Tension Vcn(V) 0.03 Temps (s) 400 80 60 40 20 -100 0 -200 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0 5 10 15 20 Ordre harmonique Temps (s) Figure (2-24) : Tensions de phases Van, Figure (2-25) : Spectre harmonique de Vbn, et Vcn à la sortie de l'onduleur. la Tension simple Van. __________________________________________________________________________ 29 Chapitre deux Onduleur multiniveaux en pont en H symétrique FFT window: 3 of 80 cycles of selected signal 10 Courant Ian(A) Courant Ian(A) 20 0 -10 -20 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 Temps (s) 5 0 -5 1.54 1.55 1.56 1.59 Fundamental (50Hz) = 5.697 , THD= 9.54% 100 0 -10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Amplitude (% of Fundamental) Courant Ibn(A) 1.58 10 -20 1.6 Temps (s) 20 Courant Icn(A) 1.57 Temps (s) 20 10 0 -10 -20 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 80 60 40 20 0 1.6 0 5 Temps (s) 10 15 20 Ordre harmonique Figure (2-26) : Courant de phase Ian, Figure (2-27) : Spectre harmonique du Ibn et Icn. courant de phase Ian. 25 200 Vitesse Wr(rad/s) Couple Ce(N.m) 20 15 10 5 150 100 50 0 -5 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 0 1.6 0 0.2 0.4 Temps (s) 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 Temps (s) Figure (2-28) : le couple Ce à vide Figure (2-29) : la vitesse Wr à vide. 25 200 Vitesse Wr(rad/s) Couple Ce(N.m) 20 15 10 5 150 100 50 0 -5 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 Temps (s) Figure (2-30) : le couple Ce en charge. 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 Temps (s) Figure (2-31) : la vitesse Wr en charge. __________________________________________________________________________ 30 Chapitre deux Onduleur multiniveaux en pont en H symétrique Interprétation des résultats : Ici l'angle de commande des interrupteurs de l'onduleur est α=15º. La tension simple Vao présente les trois niveaux 0, +E et -E et la tension composée Vab est semblable à une forme d'escalier. A l'instant t=1s, j'ai provoque un couple de charge de valeur Cr = 5 N.m. J'observe une diminution de la vitesse et le couple oscille autour de la charge appliquée sur l'arbre de la machine, pour les courants un fort appel des courants statoriques au régime transitoire puis se stabilise. b. Modulation de largeur d'impulsion (MLI) : Pour générer les impulsions de commande MLI d'un convertisseur à N-niveaux de tensions, N-I porteuses triangulaires sont nécessaires. Ces porteuses ont la même fréquence fc et la même amplitude Ac. Les porteuses peuvent être horizontalement ou verticalement décalées. Si elles le sont horizontalement, le déphasage entre deux signaux consécutifs est donné par 2/(N-1). Et si elles sont décalées verticalement, les signaux N -1 triangulaires peuvent être en phase ou non et occupent une bande continue avec le même décalage vertical. Ils sont ensuite comparés au signal de référence d'amplitude Ar et de fréquence fr. Chaque comparaison donne l si une porteuse est supérieure ou égale à la référence, et 0 dans le cas contraire. A la sortie du modulateur, la somme des résultats issus des comparaisons est ensuite décodée, et donne la valeur correspondant à chaque niveau de tension, [23]. Pour un convertisseur de N niveaux, l'indice de modulation en amplitude m a, et l'indice de modulation en fréquence mf sont définies comme suit: 𝑚𝑎 = 𝐴𝑟 (𝑁 − 1)𝐴𝑐 (2 − 12) 𝑚𝑓 = 𝑓𝑐 𝑓𝑟 (2 − 13) Résultats de simulation : Les figures (2-34), (2-36) et (2-38) présente la tension simple Vao du bras de l'onduleur lié au point milieu O, et la tension composée Vab entre deux phases de l'onduleur, et les tensions de phase Van, Vbn et Vcn, et les courant Ian, Ibn et Icn illustrés dans la figure (2.40). Dans ce cas, on utilise la technique MLI à deux porteuses figure (2-33), avec un couple de charge Cr =5 N.m. Le schéma bloc de la machine asynchrone est présenté par la figure (2-32). __________________________________________________________________________ 31 Chapitre deux Onduleur multiniveaux en pont en H symétrique Vref1, Vref2, Vref3, Vp1, Vp2 Figure (2-32) : schéma block d'un onduleur cascade en pont en H à trois niveaux triphasés. t Vref1 Vref2 Vref3 Vp1 Vp2 1.5 1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 Temps (s) Figure (2-33) : Principe de la MLI à deux porteuses pour un onduleur à trois niveaux. FFT window: 3 of 80 cycles of selected signal 100 100 0 -100 -200 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Tension Vao(V) Tension Vao(V) 200 50 0 -50 -100 Temps (s) 0 0.01 0.02 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Temps (s) 200 Tension Vco(V) 0.05 Fundamental (50Hz) = 83.2 , THD= 72.67% -100 100 0 -100 -200 0.04 100 0 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Temps (s) Figure (2-34) : Tensions simples Vao, Vbo, et Vco à la sortie de l'onduleur. Amplitude (% of Fundamental) Tension Vbo(V) 100 -200 0.03 Temps (s) 200 80 60 40 20 0 0 5 10 Ordre harmonique 15 20 Figure (2-35) : Spectre harmonique de la Tension simple Vao. __________________________________________________________________________ 32 Chapitre deux Onduleur multiniveaux en pont en H symétrique FFT window: 3 of 80 cycles of selected signal 200 200 Tension Vab(V) Tension Vab(A) 400 0 -200 -400 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Temps (s) 100 0 -100 -200 0 0.01 0.02 0.04 0.05 Fundamental (50Hz) = 144.7 , THD= 41.28% 120 0 -200 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Temps (s) 400 200 0 -200 -400 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 Amplitude (% of Fundamental) Tension Vbc(V) 200 -400 Tension Vca(V) 0.03 Temps (s) 400 100 80 60 40 20 0 0.06 0 Temps (s) 5 10 15 20 Ordre harmonique Figure (2-37) : Spectre harmonique de Vbc, et Vca à la sortie de l'onduleur. la Tension composée Vab. 200 FFT window: 3 of 80 cycles of selected signal 100 0 -100 -200 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Tension Van(V) Tension Van(V) Figure (2-36) : Tensions composées Vab, 0 -50 0 0.01 0.02 200 0.03 0.04 0.05 Temps (s) 100 Fundamental (50Hz) = 83.29 , THD= 41.20% 0 100 -100 -200 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Temps (s) 200 100 0 -100 -200 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Temps (s) Figure (2-38) : Tensions de phases Van, Vbn, et Vcn à la sortie de l'onduleur. Amplitude (% of Fundamental) Tension Vbn(V) 50 -100 Temps (s) Tension Vcn(V) 100 80 60 40 20 0 0 5 10 Ordre harmonique 15 20 Figure (2-39) : Spectre harmonique de la Tension simple Van. __________________________________________________________________________ 33 Chapitre deux Onduleur multiniveaux en pont en H symétrique FFT window: 3 of 80 cycles of selected signal Courant Ian(A) Courant Ian(A) 20 10 0 -10 -20 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 5 0 -5 1.54 1.55 1.56 Temps (s) 1.57 1.58 1.59 Temps (s) Fundamental (50Hz) = 9.409 , THD= 2.82% 10 100 0 Amplitude (% of Fundamental) Courant Ibn(A) 20 -10 -20 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 Temps (s) Courant Icn(A) 20 10 0 80 60 40 20 -10 -20 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 0 1.6 0 5 10 Figure (2-41) : Spectre harmonique du Ibn et Icn. courant de phase Ian. 200 10 Vitesse Wr(rad/s) Couple Ce(N.m) 20 Figure (2-40) : Courant de phase Ian, 15 5 0 -5 150 100 50 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 -50 1.6 0 0.2 0.4 Temps (s) 0.8 1 1.2 1.4 1.6 Figure (2-43) : la vitesse Wr à vide. 200 Vitesse Wr(rad/s) 15 10 5 0 -5 0.6 Temps (s) Figure (2-42) : le couple Ce à vide. Couple Ce(N.m) 15 Ordre harmonique Temps (s) 150 100 50 0 -50 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Temps (s) 1.2 1.4 1.6 Figure (2-44) : le couple Ce en charge. 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 Temps (s) Figure (2-45) : la vitesse Wr en charge. __________________________________________________________________________ 34 Chapitre deux Onduleur multiniveaux en pont en H symétrique Interprétation des résultats : La forme d'onde en escalier des tensions simples et composées, ainsi que la forme du courant Ian, ce qui est traduit par les résultats obtenus du THD, son spectre harmonique est plus petite THD= 2.82% par rapport a celui de l'onduleur a trois niveaux en pleine onde THD= 9.54%. Outre, on remarque que le couple oscille autour de sa référence (nulle) pour la vitesse se stabilise à 156 rad/s, puis se baisse lors de l'application du couple résistant a t = 1s néanmoins, pour le courant, un fort appel des courants statoriques au régime transitoire puis se stabilise avec une forme sinusoïdale possède des oscillations mince que le cas précédent. 2.5.2. Onduleur à cinq niveaux de type Cascade en pont en H : a. Structure : La structure d'un convertisseur multiniveaux basée sur la mise en série d'onduleurs monophasés (ou pont en H, ou cellule partielle) est montrée sur la figure (2-46). Figure (2-46) : Schéma d'un onduleur cascade en pont en H à 5 niveaux. b. Principe de fonctionnement : Le principe de fonctionnement du convertisseur cascade en pont en H à cinq niveaux de tension, sera illustré par sa structure monophasée, figure (2-47). La structure d'un bras d'onduleur cinq niveaux de type cascade en pont en H est l'association en cascade de deux onduleurs classiques monophasés en pont complet. De telle sorte que la tension à la sortie de l'onduleur obtenue est la somme des tensions de sortie des deux onduleurs classiques. __________________________________________________________________________ 35 Chapitre deux Onduleur multiniveaux en pont en H symétrique Comme pour le cas NPC, nous avons les cinq séquences de fonctionnements suivantes pour le convertisseur cascade en pont en H à cinq niveaux de tensions: Séquence 1: K1, K4, K5, et K8 sont passants et K2, K3, K6, et K7 sont bloqués Dans ce cas le premier pont monophasé (celui du haut) donne une tension de sortie E et second pont monophasé (celui du bas) donne également E comme tension de sortie. D'où la tension de sortie du convertisseur en cascadé H à cinq niveaux de tensions : Vao =E+E=2E Séquence 2: K1, K4, K5 et K6 sont passants et K2, K3, K7 et K8 sont bloqués, On a toujours E à la sortie du premier pont, mais cette fois ci 0 à la sortie du second pont. D'où la tension Vao = E Séquence 3: K2, K4, K7 et K8 sont passants et K5, K6, K1 et K2, sont bloqués, On a alors 0 comme tension de sortie dans les deux ponts monophasés montés en cascade. Et la tension de sortie du pont en H obtenue vaut: Vao = 0 Séquence 4: K2, K3, K6 et K7 sont passants et K1, K4, K5 et K7 sont bloqués, Dans ce cas, la tension de sortie est : Vao = -E Séquence 5: K2, K4, K5 et K6 sont passants et K1, K4, K7 et K8, sont bloqués, On a alors la tension de sortie Vao = -E - E = -2E Remarque: Les tensions bloquées par les différents interrupteurs au cours des séquences de fonctionnement valent toutes : VK1 =E ; i=1.. .. 8, [24]. Figure (2-47) : Pont en H 5 niveaux : Principe et exemples de mécanisme de commutation a)- Génération de Vao = + E, b)- Génération de Vao = 0, c)- Génération de Vao = -2E. __________________________________________________________________________ 36 Chapitre deux Onduleur multiniveaux en pont en H symétrique Les cinq états ou séquences de commutation possibles sont résumés au tableau (2-3). Tableau (2-3) : États possibles de l'onduleur cascade à 5 niveaux. K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7 K8 Vao 1 0 0 1 1 0 0 1 2E 1 0 0 1 0 1 0 1 E 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 -E 0 1 1 0 0 1 1 0 -2E 2.5.2.1. Onduleur monophasé à cinq niveaux: a. La stratégie de commande en pleine onde : La commande plein onde pour l'onduleur cinq niveaux est une extension de la commande à deux et à trois niveaux. Pendant une période du fonctionnement de l'onduleur triphasé à cinq niveaux à structure en pont en H. Figure (2-48) : Schéma bloc d'un onduleur cascade en pont en H à cinq niveaux. Résultat de simulation : La figure (2-49) présente la séquence de commande des interrupteurs (K1, K2,…, K8) d'un onduleur à cinq niveaux en pont en H pour une même période (2.10-2s), et avec une tension d'entrée est toujours E=100V et l'angle de décalage α1=15°et α2=30°. __________________________________________________________________________ 37 Chapitre deux 0.01 0.015 0.02 0.005 0.01 0.015 0.005 0.01 0.015 0.02 0.005 0.01 0.015 0.02 K7 0.02 1 0.5 0 0 0.005 0.01 0.015 0.02 1 0.5 0 0 0.005 0.01 0.015 0.02 1 0.5 0 0 0.005 0.01 0.015 0.02 Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 3 cycles 1 200 0.5 0 100 0 0 0.005 0.01 0.015 0.02 Tension Vs(V) K5 0.005 K6 0 1 0.5 0 0 1 0.5 0 0 1 0.5 0 0 K8 K4 K3 K2 K1 1 0.5 0 Onduleur multiniveaux en pont en H symétrique Figure (2-49): Séquence de commande d'un -100 onduleur à cinq niveaux (K1…..K8). -200 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Temps (s) 250 Fundamental (50Hz) = 233.2 , THD= 20.41% 200 100 Amplitude (% of Fundamental) 150 Tension Vs(V) 100 50 0 -50 -100 -150 60 40 FFT window: 3 of 5 cycles of selected signal 20 10 -200 -250 80 0 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0 0.06 0 5 10 15 20 Ordre harmonique Temps (s) -10 Figure (2-50) : la tension de sortie. Figure (2-51) : Spectre harmonique de la tension. 0.04 0.05 20 0.06 0.07 0.08 Time (s) 0.09 Fundamental (50Hz) = 14.52 , THD= 5.84% 100 Amplitude (% of Fundamental) 15 Courant Is(A) 10 5 0 -5 -10 -15 -20 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 Temps (s) Figure (2-52) : le courant de sortie. 80 60 40 20 0 0 5 10 Ordre harmonique 15 20 Figure (2-53) : Spectre harmonique du courant. Interprétations des résultats : La figure (2-51) montre bien les cinq niveaux de tension. On remarque aussi que la valeur de la tension de sortie de l'onduleur est devenue double que la valeur de la source __________________________________________________________________________ 38 Chapitre deux Onduleur multiniveaux en pont en H symétrique d'alimentation ( Vs = 2E) ce qui explique la possibilité d'augmenter la tension à nE avec cette structure pour les grande puissances. b. La stratégie de Modulation de largeur d'impulsion (MLI) : La logique de commande est consiste à comparer la modulante à 4 porteuses triangulaires, les signaux 1 et 2 permettent respectivement de générer les niveaux +Eet +2E. Par symétrie, les niveaux –E et –2E sont créés respectivement par les porteuses 3et 4. Figure (2-54) : Schéma bloc d'un onduleur cascade en pont en H à cinq niveaux. t Vref Vp1 Vp2 Vp3 Vp4 Vref, Vp1, Vp2, Vp3, Vp4 1.5 1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02 Temps (s) Figure (2-55): Principe de la MLI à quatre porteuses pour un onduleur à cinq niveaux. Résultats de simulation : De même, le nombre de porteuses est ; N – 1 = 4 porteuses, comme le montre à la figure (2-55). __________________________________________________________________________ 39 Tension Vs( 100 0 -100 Chapitre deux Onduleur multiniveaux en pont en H symétrique -200 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Temps (s) 250 Fundamental (50Hz) = 166.5 , THD= 36.76% 100 200 Amplitude (% of Fundamental) 150 Tension Vs(V) 100 50 0 -50 -100 60 40 Selected signal: 5 cycles. FFT window (in red): 3 cycles 10 -150 20 5 -200 -250 80 0 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0 0.06 Temps (s) 0 5 Figure (2-56) : la tension de sortie. 10 15 20 Ordre harmonique -5 -10 0.02 : 0.04 0.06 harmonique 0.08 0.1 Figure 0(2-57) Spectre de la tension. Time (s) 15 Fundamental (50Hz) = 10.37 , THD= 1.98% 100 Amplitude (% of Fundamental) 10 Courant Is(A) 5 0 -5 -10 -15 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 80 60 40 20 0 Temps (s) Figure (2-58) : le courant de sortie. 0 5 10 15 20 Ordre harmonique Figure (2-59) : Spectre harmonique du courant. Interprétation des résultats : La figure (2-56) illustre les états des interrupteurs de puissance pour les niveaux 0, +E et +2E de la tension de sortie 2.5.2.2. Conduite de la MAS alimentée par un onduleur de type en pont à cinq niveaux: a. La stratégie de commande en pleine onde : La même chose pour l'onduleur a cinq niveaux. Le schéma bloc de la machine asynchrone est présenté par la figure (2-27): __________________________________________________________________________ 40 Chapitre deux Onduleur multiniveaux en pont en H symétrique Figure (2-60) : schéma block d'un onduleur cascade en pont en H à cinq niveaux triphasés. Résultats de simulation : La tension simple Vao du bras de l'onduleur lié au point milieu O et la tension composée Vab entre deux phases de l'onduleur à cinq niveaux sont présentés respectivement par Les figures (2-61), (2-63) , la figure (2-65) montre les tensions de phases Van, Vbn , Vcn, les courant Ian, Ibn et Icn illustrés dans la figure (2.67). FFT window: 3 of 80 cycles of selected signal 200 200 0 -200 -400 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Temps (s) Tension Vao(V) Tension Vao() 400 100 0 -100 -200 0 0.01 0.02 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Temps (s) 400 Tension Vco(V) 0.05 Fundamental (50Hz) = 233.2 , THD= 20.42% -200 200 0 -200 -400 0.04 100 0 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Temps (s) Figure (2-61) : Tensions simples Vao, Vbo,et Vco à la sortie de l'onduleur. Amplitude (% of Fundamental) Tension Vbo() 200 -400 0.03 Temps (s) 400 80 60 40 20 0 0 5 10 Harmonic order 15 20 Figure (2-62) : Spectre harmonique de la Tension simple Vao. __________________________________________________________________________ 41 Chapitre deux Onduleur multiniveaux en pont en H symétrique FFT window: 3 of 80 cycles of selected signal Tension Vab(V) Tension Vab(V) 500 0 200 0 -200 -500 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 -400 Temps (s) 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 Temps (s) Fundamental (50Hz) = 403.7 , THD= 14.58% 100 0 -500 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 Amplitude (% of Fundamental) Tension Vbc(v) 500 0.06 Temps (s) Tension Vca(V) 500 0 -500 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 80 60 40 20 0 0.06 0 5 Temps (s) Figure (2-63) : Tensions composées Vab, FFT window: 3 of 80 cycles of selected signal 200 Tension Van(V) Tension Van() 20 la Tension composée Vab. 400 200 0 -200 -400 100 0 -100 -200 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0 Temps (s) 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 Temps (s) 400 Fundamental (50Hz) = 229.3 , THD= 14.23% 200 100 0 -200 -400 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Temps (s) 400 200 0 Amplitude (% of Fundamental) Tension Vbn(V) 15 Figure (2-64) : Spectre harmonique de Vbc, et Vca à la sortie de l'onduleur. Tension Vcn(V) 10 Ordre harmonique 80 60 40 20 -200 -400 0 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Temps (s) Figure (2-65) : Tensions de phases Van, Vbn, et Vcn à la sortie de l'onduleur. 0 5 10 15 20 Ordre harmonique Figure (2-66) : Spectre harmonique de la Tension simple Van. __________________________________________________________________________ 42 Chapitre deux Onduleur multiniveaux en pont en H symétrique FFT window: 3 of 80 cycles of selected signal 4 0 -50 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 Courant Ian(A) Courant Ian(A) 50 2 0 -2 -4 -6 Temps (s) 1.54 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 Temps (s) Courant Icn(A) 1.57 1.58 1.59 100 50 0 -50 1.56 Fundamental (50Hz) = 3.715 , THD= 38.32% 0 -50 1.55 Temps (s) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Amplitude (% of Fundamental) Courant Ibn(A) 50 80 60 40 20 1.6 0 Temps (s) 0 5 10 15 20 Ordre harmonique Figure (2-67) : Courant de phase Ian, Figure (2-68) : Spectre harmonique Ibn et Icn. du courant de phase Ian. 80 200 Vitesse Wr(rad/s) Couple Ce(N.m) 60 40 20 150 100 50 0 -20 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 0 0.2 0.4 Figure (2-69) : le couple Ce à vide. 1 1.2 1.4 1.6 200 Vitesse Wr(rad/s) 60 Couple Ce(N.m) 0.8 Figure (2-70) : la vitesse Wr à vide. 80 40 20 0 -20 0.6 Temps (s) Temps (s) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 Temps (s) Figure (2-71) : le couple Ce en charge. 150 100 50 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 Temps (s) Figure (2-72) : la vitesse Wr en charge. __________________________________________________________________________ 43 Chapitre deux Onduleur multiniveaux en pont en H symétrique Interprétation des résultats : Notre choix des angles de commande offre un degré de liberté plus élevé, ce qui est traduit par la forme d'onde en escalier des tensions simples et composées, et une amélioration remarquable de la forme d'onde du courant, et pour le courant statorique une nette amélioration apparu et montre bien que si le nombre de niveaux de l'onduleur augmente la forme de courant devient plus proche de la sinusoïde. b. La stratégie de Modulation de largeur d'impulsion (MLI) : La même chose pour l'onduleur a cinq niveaux. Le schéma bloc de la machine asynchrone est présenté par la figure (2-73). Résultats de simulation : La tension simple Vao du bras de l'onduleur lié au point milieu O et la tension composée Vab entre deux phases de l'onduleur à cinq niveaux sont présentés respectivement par Les figures (2-75), (2-77), la figure (2-79) montre les tensions de phases Van, Vbn et Vcn, et les courant Ian, Ibn et Icn illustrés dans la figure (2.81). Vref1, Vref2, Vref3,Vp1, Vp2, Vp3, Vp4 Figure (2-73) : schéma block d'un onduleur cascade en pont en H à cinq niveaux triphasés. 1.5 t Vref1 Vref2 Vref3 Vp1 Vp2 Vp3 Vp4 1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 0 0.005 0.01 0.015 0.02 Temps (s) 0.025 0.03 0.035 0.04 Figure (2-74) : Principe de la MLI à quatre porteuses pour un onduleur à cinq niveaux. __________________________________________________________________________ 44 Onduleur multiniveaux en pont en H symétrique 200 FFT window: 3 of 80 cycles of selected signal 100 0 -100 -200 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Tension Vao(V) TEnsion Vao(V) Chapitre deux 100 0 -100 -200 Temps (s) 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 Temps (s) Fundamental (50Hz) = 166.4 , THD= 36.78% 100 100 0 -100 -200 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Temps (s) Tension Vco(V) 200 100 0 Amplitude (% of Fundamental) Tenssion Vbo(V) 200 80 60 40 20 -100 0 -200 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0 5 10 15 20 Ordre harmonique 0.06 Temps (s) Figure (2-75) : Tensions simples Vao, Figure (2-76) : Spectre harmonique de Vbo, et Vco à la sortie de l'onduleur. la Tension simple Vao. Tension Vab(V) Tension Vab(V) FFT window: 3 of 80 cycles of selected signal 400 200 0 -200 -400 200 0 -200 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0 0.01 0.02 0.04 0.05 400 Fundamental (50Hz) = 288.5 , THD= 20.09% 200 100 0 -200 -400 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Temps (s) Tension Vca(V) 0.03 Temps (s) 400 200 0 Amplitude (% of Fundamental) Tension Vbc(V) Temps (s) 80 60 40 20 -200 -400 0 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0 5 10 Ordre harmonique 15 20 Temps (s) Figure (2-77) : Tensions composées Vab, Vbc, et Vca à la sortie de l'onduleur. Figure (2-78) : Spectre harmonique de la Tension composée Vab. __________________________________________________________________________ 45 Onduleur multiniveaux en pont en H symétrique FFT window: 3 of 80 cycles of selected signal 200 Tension Van(V) Tension Van(V) Chapitre deux 100 0 -100 -200 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 100 0 -100 0.06 0 0.02 0.04 0.05 Fundamental (50Hz) = 166.6 , THD= 20.03% 100 100 0 -100 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Temps (s) 200 100 0 -100 -200 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 80 60 40 20 0 0.06 0 5 Figure (2-79) : Tensions de phases Van, 15 20 Figure (2-80) : Spectre harmonique de Vbn, et Vcn à la sortie de l'onduleur. la Tension simple Van. FFT window: 3 of 80 cycles of selected signal 50 Courant Ian(A) 5 0 -50 10 Ordre harmonique Temps (s) Courant Ian(A) 0.03 200 -200 Tension Vcn(V) 0.01 Temps (s) Amplitude (% of Fundamental) Tension Vbn(V) Temps (s) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 0 -5 1.54 Temps (s) 1.55 1.56 1.57 1.58 1.59 Time (s) Fundamental (50Hz) = 4.762 , THD= 6.83% 100 0 -50 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 Courant Icn(A) Temps (s) 50 0 Amplitude (% of Fundamental) Courant Ibn(A) 50 80 60 40 20 -50 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Temps (s) Fiigure (2-81) : Courant de phase Ian, Ibn et Icn. 1.6 0 0 5 10 15 20 Ordre harmonique Figure (2-82) : Spectre harmonique du courant de phase Ian. __________________________________________________________________________ 46 Chapitre deux Onduleur multiniveaux en pont en H symétrique 50 200 Vitesse Wr(rad/s) Couple Ce(N.m) 40 30 20 10 100 50 0 0 -10 150 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 -50 1.6 0 0.2 0.4 0.6 Temps (s) 1 1.2 1.4 Figure (2-83) : le couple Ce à vide. Figure (2-84) : la vitesse Wr àvide. 50 200 Vitesse Wr(rad/s) 40 Couple Ce(N.m) 0.8 30 20 10 150 100 50 0 0 -10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 -50 0 0.2 0.4 0.6 Temps (s) Figure (2-85) : le couple Ce en charge. 1.6 Temps (s) 0.8 1 1.2 1.4 1.6 Temps (s) Figure (2-86) : la vitesse Wr en charge. Interprétation des résultats : De ce qui est précédemment discuté, on utilise quatre porteuses identiques, les resultats obtenues, nous ont décrit la netteté de la forme d’onde du courant qui est très proche à la sinusoïdale avec des éraflures légères. Quant aux caractéristiques de la machine, On remarque que le couple oscille toujours autour de sa référence (nulle), et pour la vitesse se stabilise à la valeur de 156 rad/s, puis elle va se diminue a l'instant de l’application du couple de charge Cr = 5N.m. 2.6. Comparaison des résultats de simulation des onduleurs étudiés : Les tableaux (2-4) et (2-5) montre bien et donne une idée générale sur la qualité de forme d'onde réelle avec sa composante fondamentale. Le facteur de distorsion [THD (%)] montre bien l'avantage du niveau. On remarque aussi que l'augmentation du niveau de l'onduleur permet d'améliorer le signal de sortie de l'onduleur, [26]. __________________________________________________________________________ 47 Chapitre deux Onduleur multiniveaux en pont en H symétrique a. Onduleur monophasée: Tableau (2-4) : Facteurs de distorsion de chaque type d'onduleur. Plein ond Niveau de l'onduleur 3 niveaux THD (%) 5 niveaux Tension de Courant de Tension de Courant de Sortie Sortie Sortie Sortie 31.90 10.31 20.41 5.84 MLI (sinus-triangle) Niveau de l'onduleur 3 niveaux THD (%) 5 niveaux Tension de Courant de Tension de Courant de Sortie Sortie Sortie Sortie 72.66 3.76 36.76 1.96 b. Onduleur triphasée: Tableau (2-5) : Facteurs de distorsion de chaque type d'onduleur. Plein ond Niveau de l'onduleur THD (%) 3 niveaux Tension Tension simple Vao 5 niveaux Tension Courant Tension Tension Tension Courant composée de de phase simple Vab phases Ian Vao composée de de phase Vab phases Ian Van 31.91 16.89 Van 16.86 9.54 20.42 14.58 14.23 38.32 MLI (sinus-triangle) Niveau de l'onduleur THD (%) 3 niveaux Tension Tension simple composée Vao Vab Van Ian 72.67 41.28 Tension 5 niveaux Courant Tension Tension de de simple phases phase Vao 41.20 2.82 Tension Courant composée de de phase Vab phases Ian Van 36.78 20.09 20.03 6.83 Lorsque le nombre de niveaux augmente le THD est diminue, ainsi que les résultats obtenus du THD, son spectre harmonique en MLI (sinus-triangle) est plus grand par rapport a celui de l'onduleur en pleine onde. 2.7. Conclusion : Dans ce chapitre, on a présenté les études théoriques des deux catégories : Onduleurs multiniveaux en série des ponts complet (trois niveaux, cinq niveaux), Enfin, la simulation __________________________________________________________________________ 48 Chapitre deux Onduleur multiniveaux en pont en H symétrique des types étudiés a démontré : Si on augmente le niveau de l'onduleur, la forme de la tension de sortie Vs et du courant s'améliorent tandis que l'amplitude des harmoniques indésirables s'abaisse. Donc, on conclut que l'emploi d'un onduleur à un niveau aussi élevé est le meilleur choix. Ce chapitre présent une étude comparative de structures d'onduleurs multiniveaux à potentiels distribués cascade en pont en H. Dans la première partie, nous faisons une analyse théorique des convertisseurs cascade en pont en H de niveaux trois et cinq. Ensuite nous présentons les méthodes de commande permettant de générer les impulsions de commande à modulation de largeur d'impulsions (MLI) pour les convertisseurs multiniveaux. Ainsi, pour nos simulations, la méthode MLI choisie est celle à phase décalée. Elle est aussi simple à réaliser que les autres techniques, et présenter aussi un meilleur THD et c'est pour toutes les valeurs de l'indice de modulation. Les onduleurs multiniveaux symétriques ne sont plus efficaces, Ce qui impose l'idée des onduleurs multiniveaux asymétriques, qui sera l'objet du prochain chapitre. __________________________________________________________________________ 49 Chapitre trois Onduleur multiniveaux en pont en H asymétrique 3.1. Introduction : Plusieurs investigations ont été publiées sur les différentes topologies de convertisseurs multi-niveaux. De toutes ces topologies, celle qui est basée sur la mise de k onduleurs partiels (cellules à ponts complets) en série sur chaque phase présente deux grandes particularités: la simplicité de configuration, quel que soit le nombre de niveaux de la tension désirée à la sortie du convertisseur, et l'existence de modules d'onduleurs standards sur le marché. Cependant, elle nécessite des sources d'alimentation galvaniquement séparées les unes des autres, ce qui limite encore son expansion industrielle. Ce chapitre sera consacre a l'étude d'un onduleur hybride dans le but d'obtenir une topologie simplement commandable à un cout non exorbitant et un bon rendement, [27]. 3.2. Onduleurs multiniveaux asymétriques: Ce type de structure est aussi appelé à juste titre « onduleur hybride ». Dans cette topologie dérivée de la précédente, le principe de mise en série de cellules de conversion est généralisé. Par degré d'hybridation croissant, on distingue trois types d'associations : - la mise en série de pont en H alimentés avec des tensions de différentes valeurs, [28]; - la mise en série d'onduleurs de topologies différentes (par exemple un onduleur NPC triphasé combiné avec des ponts en H monophasés, [29]); - la mise en série de cellules de conversion de topologie et de nature différentes (par exemple pont en H et amplificateur linéaire]). Comme pour la mise en série de pont en H, la seule contrainte porte sur les alimentations des cellules qui doivent être isolées les unes des autres. Le concept peut être attribué à O.M. Mueller et J.N. Park qui ont publié le principe dans un article paru en 1994, [30]. Cet article portant sur une application assez pointue résume bien ce que l'on peut attendre de ce type de structure. Le cahier des charges était d'obtenir un convertisseur avec une tension de service, une rapidité, un rendement et une résolution élevés dans une application de résonance magnétique. Le concepteur de cette solution assez astucieuse l'a dénommée amplificateur quasilinéaire. Les convertisseurs associés sont : - une cellule onduleur de tension élevée; - une cellule onduleur de tension trois fois plus faible; - une cellule amplificateur linéaire avec une tension six fois plus faible. _________________________________________________________________________ 50 Chapitre trois Onduleur multiniveaux en pont en H asymétrique Cette structure est illustrée à la figure (3-1). Les deux premières cellules de ce convertisseur permettent de générer 9 niveaux distincts. La dernière cellule permet de corriger l'erreur et d'obtenir une tension quasi-continue, c'est à dire une réponse quasi-linéaire entre la tension la plus basse et la plus haute. Par rapport à une solution avec amplificateur seul, les pertes sont fortement réduites, puisque l'amplificateur linéaire ne fait que corriger l'erreur qui n'est de l'ordre que d'une fraction de la tension d'alimentation. Cette structure possède toutes les caractéristiques d'un onduleur multiniveau asymétrique et en résume bien l'essence : des convertisseurs spécialisés sont combinés de sorte que chacun remplit le rôle pour lequel il est le mieux adapté. Le concept est simple, sa mise en œuvre est nettement plus complexe, notamment pour que chacun des convertisseurs travaille de manière optimale. Figure (3-1) : Schéma de l'amplificateur quasi-linéaire proposé par Müller. 3.2.1. Alimentation des onduleurs multiniveaux asymétriques : Tout comme pour les onduleurs multiniveaux symétriques, la principale difficulté des onduleurs multiniveaux asymétriques réside dans la réalisation d'une alimentation performante, les alimentations des cellules devant être isolées les unes des autres. Le problème est même plus délicat, car il peut y avoir une circulation de puissance entre les cellules. 3.2.2. Variantes d'onduleurs multiniveaux asymétriques : Pour réduire le nombre d'alimentations nécessaires, dans le cadre d'applications de type alimentation de moteur, K.A. Corzine propose d'utiliser un moteur dont les bornes des phases sont accessibles, [30]. De cette manière, si les bobinages des phases ne sont pas reliés entre eux, par exemple par un couplage étoile, il est possible d'alimenter le moteur avec deux onduleurs triphasés connectés chacun d'un côté des enroulements, comme illustré à la figure _________________________________________________________________________ 51 Chapitre trois Onduleur multiniveaux en pont en H asymétrique (3-2). Les deux convertisseurs fournissent chacun une part de la tension du moteur. Ce type de connexion permet de limiter le nombre d'alimentations isolées à deux, alors que la mise en série de cellules en sortie d'un convertisseur triphasé en nécessite 4. Cela ne change pas la puissance moyenne fournie à la charge, mais cela permet de limiter un peu la circulation de puissance entre les alimentations des différentes phases. De manière tout à fait similaire à ce qui est fait dans cette étude, X. Kou constate qu'il est possible d'utiliser un rapport 4 entre les tensions d'alimentation de ces deux onduleurs triphasés, [31]. Figure (3-2) : Schéma de la structure asymétrique proposée par K.A. Corzine. X. Kou propose d'utiliser Ue,2 = 4Ue,1. 3.3. Terminologie des convertisseurs multiniveaux : L'approche terminologique que nous proposons dans cette section facilite et rend uniforme le design des convertisseurs multiniveaux : 3.3.1. Concept de dissymétrie totale : Nous entendrons par "coefficient de dissymétrie totale". λj, le rapport entre la tension contenue Udj aux bornes d'un onduleur partiel de rang j (j=1…k) sur une phase, et la tension totale Ue que peut délivrer le convertisseur. 𝜆𝑗 = 𝑈𝑒 , ∀𝑗 = 1. . 𝑘 𝑈𝑑𝑗 (3 − 1) 𝑘 𝑈𝑒 = 2 ∙ ∑ 𝑈𝑑𝑗 (3 − 2) 𝑗=1 3.3.2. Concept de dissymétrie partielle : Le concept de dissymétrie partielle caractérise le rapport entre les tensions qui alimentent deux onduleurs partiel de rang consécutifs. Nous notons δih le "coefficient de dissymétrie partielle" entre les convertisseurs de rang j=h-1 et j=h. 𝛿ℎ = 𝑈𝑑ℎ 𝑈𝑑(ℎ−1) , ∀ℎ = 2. . 𝑘 (3 − 3) 3.3.3. Convertisseurs multiniveaux symétrique : Jusqu'à présent, la plupart des investigations publiées sur la topologie de convertisseurs multi-niveaux de type cascade considèrent des coefficients identique, tels que: _________________________________________________________________________ 52 Chapitre trois Onduleur multiniveaux en pont en H asymétrique λ1 = λ2 = ⋯ = λ𝑘 = 𝑛 − 1 (3 − 4) δ2 = δ3 = ⋯ = δ𝑘 = 1 (3 − 5) Les équations (3-4) et (3-5) caractérisent un convertisseur multiniveaux symétriques. 3.3.4. Convertisseurs multiniveaux asymétrique : Des lors que l'un au moins des coefficients λj est différent des autres, alors le convertisseur est considéré comme étant asymétrique. Dans ce cas, un au moins des coefficients δh est différent de 1, ainsi la topologie hybride proposée par M.D.Manjrekar et T.A Lipo, correspond à un convertisseur multiniveaux asymétrique. 3.3.5. Convertisseurs multiniveaux à pas uniforme : A la figure (3-3), nous avons représenté la forme de la tension généralement obtenue à la sortie d'un convertisseur multiniveaux quelconque si correspond à la différence de potentiel entre la phase i (i = 1...3) et le point neutre du convertisseur. Les valeurs (Usi)1, (Usi)2, …(Usi)n. correspondent aux niveaux possibles de Usi. Le convertisseur est dit à pas uniforme ou régulier si la différence entre deux niveaux consécutifs est constante. Autrement dit : (𝑈𝑠𝑖 )1 − (𝑈𝑠𝑖 )2 = ⋯ = (𝑈𝑠𝑖 )𝑛−1 − (𝑈𝑠𝑖 )𝑛 (3 − 6) Dans ce cas, les coefficients de dissymétrie totale peuvent se mettre sous la forme de fractions irréductibles, comme le montre la relation (3-7) : λ𝑗 = 𝑁𝑗 , 𝑎𝑣𝑒𝑐 𝑁𝑗 , 𝐷𝑗 ∈ 𝑁 ∗ 𝐷𝑗 (3 − 7) Si on suppose que les onduleurs partiels sont arrangés de façon que 𝑈𝑑ℎ ≥ 𝑈𝑑(ℎ−1)1 , alors les coefficients de dissymétrie partielle sont des entiers naturels non nul. 𝛿ℎ ∈ 𝑁 ∗ , ∀ ℎ = 2. . 𝑘 (3 − 8) Dans le cas contraire, le convertisseur est dit à pas irrégulier ou à pas non uniforme, [32]. Figure (3-3) : Exemple de tension de phase multiniveaux. _________________________________________________________________________ 53 Chapitre trois 3.4. Onduleur multiniveaux en pont en H asymétrique Les onduleurs multiniveaux hybrides : L'onduleur multiniveau triphasé hybride est spécialement dédié grâce à la mise en série ou en parallèle d'onduleurs de base. Les modèles hybrides peuvent être générés. à l'entraînement des moteurs synchrones et asynchrones de grande puissance à tension moyenne. La combinaison réelle de différentes topologies est basée sur les méthodes de la théorie des graphes. Les topologies hybrides permettent d'améliorer la qualité de puissance et l'augmentation de nombre de niveau de la tension en utilisant moins de sources de tension continue à l'entrée et moins de commutations. Trois types d'hybridation sont développés dans l'industrie : Hybridation en pont, généralement entre onduleurs de même nature (Figure (3-4)) ; Hybridation en cascade, les topologies fournissent un effet multiplicateur du nombre de niveaux selon le modèle de structuration (Figure (3-5)) ; Hybridation côte-à-côte pour alimenter deux charges (Figure (3-6)), [1]. Figure (3-4) : Hybridation en pont de 2 onduleurs multiniveaux. Figure (3-5) : Hybridation en cascade d'onduleurs multiniveaux. Figure (3-6) : Hybridation côte-à-côte d'onduleurs multiniveaux. _________________________________________________________________________ 54 Chapitre trois Onduleur multiniveaux en pont en H asymétrique 3.5. Stratégie de modulation : Dans cette section, nous rappelons brièvement le principe de deux stratégies de modulations : la modulation par gradins ou par paliers, et la modulation hybride, qui combine la précédente et celle basée sur la modulation à largeur d'impulsions. Le but est d'analyser pour chacune d'entre-elles, les commutations sur chaque cellule partielle du convertisseur. Cette analyse aboutit à l'expression analytique des tensions à la sortie de chaque cellule partielle. Ce qui permettra une analyse précise de l'échange énergétique entre cellules. Ces expressions seront également exploitées pour la détermination du courant dans les bus continus, ainsi qu'une modélisation de l'effet de la tension du mode commun sur le transformateur triphasé multi-enroulements. 3.5.1. Modulation par gradin : Cette méthode de modulation consiste simplement à générer à la sortie du convertisseur multi-niveau, une tension par palier non modulée. Cette tension correspond à la valeur quantifiée de la référence sinusoïdale (image désirée du fondamental). Si le convertisseur est à pas uniforme, alors on a E1 = E2 = ... = EK = Ud1, [23]. 3.5.2. Modulation hybride : La modulation hybride, proposée dans, [33] combine la modulation par gradins et la modulation sinusoïdale par largeur d'impulsions. La cellule ayant la plus grande tension uk interviendra si le signal de référence est supérieur à la somme des autres tensions continues. Tant que cette condition n'est pas vérifiée, la tension Upk restera nulle. Et l'onduleur suivant n’interviendra a son tour que si le signal de référence est supérieur a la somme des autres tensions continues, et ainsi de suite. La dernière référence quant à elle est comparée à un triangle. Cette façon de procéder revient simplement à utiliser des comparateurs avec un seuil de commutation en amplitude fixe en fonction de l'amplitude souhaitée pour chaque cellule partielle. Le générateur de connexion convertit le signal désiré à la sortie du convertisseur en impulsions de commande des interrupteurs de puissance. Les tensions d'alimentation sont normalisées par rapport a l'amplitude maximale de la tension d'une phase du convertisseur. 3.6. Onduleur multiniveaux monophasée: La structure monophasée de l'onduleur multi-niveaux asymétrique est représentée sur la figure (3-7). Pour cet onduleur, deux cellules à pont complet monophasé et deux alimentations indépendantes sont utilisées (k=2), [19]. _________________________________________________________________________ 55 Chapitre trois Onduleur multiniveaux en pont en H asymétrique Figure (3-7): Structure monophasée d'un onduleur cascade à deux cellules. Résultat de simulation : Les figures illustre les formes d'ondes des cellules partielles V11, V12, et la tension Vs avec son spectre d'harmonique pour l'onduleur asymétrique avec Ud1 = 100V et Ud2 = 200V, R =10 Ω et L = 40 mH. Les fréquences des commutations admissibles ne sont pas les même pour les différentes cellules, haut fréquence par la première cellule et bas fréquence par la deuxième cellule. 3.6.1. Onduleur en deux ponts en H à cinq niveaux: 150 300 100 200 Tension V12(V) Tension V11(v) Figure (3-8) : Schéma block d'un onduleur multiniveaux asymétrique (5 niveaux). 50 0 -50 -100 -150 100 0 -100 -200 0 0.005 0.01 0.015 Temps (s) Figure (3-9) : la tension V11. 0.02 -300 0 0.005 0.01 0.015 0.02 Temps (s) Figure (3-10) : la tension V12. _________________________________________________________________________ 56 100 0 -100 Chapitre trois Onduleur multiniveaux en pont en H asymétrique -200 0 0.02 300 0.04 0.06 Time (s) 0.08 0.1 Fundamental (50Hz) = 173.8 , THD= 44.81% 100 Amplitude (% of Fundamental) Tension Vs(V) 200 100 0 -100 60 40 Selected signal: 5 cycles. FFT window (in red): 3 cycles 20 10 -200 -300 80 5 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0 0.06 Temps (s) 0 0 5 10 15 20 Ordre harmonique -5 Figure (3-11) : la tension Vs. Figure -10(3-12) : Spectre harmonique de la tension. 0 0.02 15 0.04 0.06 Time (s) 0.08 0.1 Fundamental (50Hz) = 10.82 , THD= 8.64% 100 Amplitude (% of Fundamental) Courant Is(A) 10 5 0 -5 -10 -15 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 80 60 40 20 0 Temps (s) Figure (3-13) : Le courant Is. 0 5 10 Ordre harmonique 15 20 Figure (3-14) : Spectre harmonique du courant. 3.6.2. Onduleur en deux ponts en H à sept niveaux: Figure (3-15) : schéma block d'un onduleur multiniveaux asymétrique (7 niveaux). _________________________________________________________________________ 57 Chapitre trois Onduleur multiniveaux en pont en H asymétrique 100 200 Tension V12(V) 300 Tension V11(V) 150 50 0 -50 0 -100 Selected signal: 5 cycles. FFT window (in red): 3 cycles -100 -150 100 200-200 0 0.005 0.01 0.015 100 -300 0 0 0.02 Temps (s) 0.005 0.01 -200 Figure (3-16) : la tension V11. 0.015 0.02 Temps (s) -100 Figure (3-17) : la tension V12. 0 0.02 300 0.04 0.06 Time (s) 0.08 0.1 Fundamental (50Hz) = 229.4 , THD= 38.06% 100 Amplitude (% of Fundamental) Tension Vs(V) 200 100 0 -100 60 40 Selected signal: 5 cycles. FFT window (in red): 3 cycles 20 -200 -300 80 10 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0 0 0 Temps (s) 5 10 Ordre harmonique 15 20 -10 Figure (3-19) : Spectre harmonique de la tension. Figure (3-18) : la tension Vs. 0 0.02 20 0.04 0.06 Time (s) 0.08 0.1 Fundamental (50Hz) = 14.29 , THD= 9.34% Amplitude (% of Fundamental) 100 Courant Is(A) 10 0 -10 -20 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 Temps (s) Figure (3-20) : Le courant Is. 0.1 80 60 40 20 0 0 5 10 15 20 Ordre harmonique Figure (3-21) : Spectre harmonique du courant. Interprétation des résultats On à choisir des tensions d'entrée différentes permet d'obtenir le plus grande nombre de niveaux pour un nombre minimum de cellule. Avec deux pont on a augmente le nombre de niveaux à 7 niveaux. _________________________________________________________________________ 58 Chapitre trois Onduleur multiniveaux en pont en H asymétrique 3.7. Comparaison entre déférentes structures de l'onduleur étudiées : Tableau (3-1) : Facteurs de distorsion de chaque type d'onduleur. Niveau de l'onduleur THD (%) 5 niveaux 7 niveaux Tension de Courant de Tension de Courant de Sortie Sortie Sortie Sortie 44.81 8.64 38.06 9.34 Le THD de la tension est diminue, et le THD de courant et augmenter. 3.8. Conclusion : Les règles qui permettent d'obtenir un pas uniforme avec des onduleurs à cellules en série ont été décrites. Ces onduleurs sont alimentés par des sources continues différentes, et délivrent des tensions de sortie de qualité améliorée sans augmentation du nombre de cellules ou du nombre d'interrupteurs (sans complexité supplémentaire de la structure d'onduleurs à pont complets). Ce sont donc des onduleurs multi-niveaux de haute résolution et non de haute tension. Ce chapitre a été essentiellement consacré à l'analyse des convertisseurs multiniveaux dont la structure est basée sur la mise en série d'onduleurs monophasés, d'un point de vue de la charge. L'hypothèse de base de cette étude a été de considérer que chaque cellule est alimentée par une source de tension parfaitement continue. Contrairement aux convertisseurs dits symétriques caractérisés par des cellules partielles alimentées par des tensions continues de mêmes valeurs, les convertisseurs asymétriques qui font l'objet de ce travail sont constitués de cellules partielles alimentées par des tensions continues différentes. _________________________________________________________________________ 59 Conclusion générale Conclusion générale Dans le cadre de notre travail, nous avons étudié les différentes stratégies de commande de ces onduleurs et le dimensionnement d'un onduleur en pont en H à trois et à cinq niveaux dont il était l'objet essentiel du deuxième chapitre, aussi, une conduite de la machine où les résultats de simulation nous confirme que plus de nombre de niveaux augmente et l'objet du troisième chapitre les onduleurs hybrides ont pour but de diminuer la dépendance de la source par rapport au nombre de niveaux. Depuis 20 ans à peu près peut être cette modeste étude va présenter une petite contribution pour atteindre à un regain d'intérêt à la commande des techniques multiniveaux et particulièrement « les onduleurs multiniveaux ». Ces techniques modernes qui représentent un domaine important, constituent un secteur de recherche relativement récent, émendent encore beaucoup de développement et d'optimisation du point de vue de commande. Ce type d'onduleur présent beaucoup d'avantages, parmi les plus importants, donc on mentionne : - Il peut générer des tensions très proche de la sinusoïde avec une fréquence de commutation égale à celle de la fondamentale ; - Il réduit les tensions du mode homopolaire ; - Il est bien adapté aux moteurs de moyennes et de grandes puissances. Les onduleurs sont très utilisés et surtout dans l'industrie en touchant des domaines d'application les plus variés, dans le plus connu est sans doute, celui de la variation de la vitesse des machines ayant un courant alternatif. Pour la commande en pleine onde nous avons pris α=15°, pour avoir un taux de distorsion harmonique minimale qui possible. Pour cela on peut dire que l’angle α nous offre un degré de liberté pour le choix des performances de l'onduleur. En visualisant les résultats de simulation en utilisant le langage MATLAB pour l’onduleur à trois et cinq niveaux, ce qui permet d'avoir un signal le plus sinusoïdale et avoir moins d harmoniques. L'amélioration des performances d'un système d'entraînement d'une machine asynchrone passe par le choix d'une bonne stratégie de commande de l'onduleur d'alimentation. En effet, elle permet de garantir une meilleure qualité du couple, d'éliminer les harmoniques de tension et de réduire les pertes de commutation aux bornes des interrupteurs. Ceci a l'avantage d'augmenter leur durée de vie. D'où le choix de cette stratégie dans la _________________________________________________________________________________ 60 Conclusion générale commande d'un onduleur multi niveau asymétrique à pas uniforme alimentant une machine asynchrone de forte puissance. Comme perspectives, nous pouvons proposer la continuité des études suivantes : - Recherche d'autres stratégies de commande qui permettent d'avoir une tension à la sortie la plus sinusoïdale possible. - Etude des performances de la conduite d'autres machines alternatives alimentées par ce d'onduleur. - Faire une étude approfondie des alimentations des différentes cellules de l'onduleur multiniveaux. - Commander l'onduleur par SVM (MLI vectorielle). _________________________________________________________________________________ 61 Annexe Paramètres de la MAS utilisée : _________________________________________________________________________________ 62 Référence Bibliographique Référence Bibliographique [1] Kambiz Arab Tehrani, Conception, Synthèse et Application d'une Nouvelle Commande Robuste par PID Fractionnaire pour Les Onduleurs Multiniveaux, Pour obtenir le grade de Docteur de l'INPL, Université de Lorraine-Institut National Polytechnique de Lorraine (INPL), 2010. [2] Michel Pinard, Convertisseurs et électronique de puissance Commande, Description Mise en oeuvre, Imprimerie CHIRAT – 42540. Saint-Just-laPendue, Dépôt légal avril 2007, N° 4300, Imprimé en France. [3] Boubacar Housseini, Prototypage Rapide A Base De Fpga D'un Algorithme De Contrôle Avancé Pour Le Moteur A Induction, thèse UNIVERSITÉ DU QUÉBEC. 2010. [4] N. P. SCHIBLI, A Three-Phase Multilevel Converter for High-Power Induction Motors, IEEE Transactions. Power Electronics, Vol.13, pp. 978-986, September 1998. [5] H. D. Lee and S.-K. Sul, A Common Mode Voltage Reduction in Boost Rectifier/ Inverter System by Shifting Active Voltage Vector in a Control Period, IEEE Trans. On Power Electronics, Vol. 15, No. 6, November 2000. [6] M. D. MANJREKAR, P. STEIMER, T. A. LIPO, Hybrid Multilevel Power Conversion System: A Competitive Solution for High Power Applications, IEEE-IAS Conference, 1999. [7] A. Nabae, I. Takahashi and H. Akagi, A New Neutral-Point-Clamped PWM Inverter, IEEE Trans. Ind.Application, Vol. IA-17, pp. 518-523, Sep./Oct. 1981. [8] E. Acha, V.G. Agelidis, O. Anaya-Lara et T.J.E. Miller, Power Electronic Control in Electrical Systems", Editions NEWNES, OXFORD, Grande Bretagne, 2002. [9] Xavier del toro garcia, Antoni arias, Marcel g. jayne, phil A. witting, vicenç m. sala and Jose luis romeral, New DTC Control Scheme for Induction Motors fed with a Three-level Inverter, Automatika, pp. 73-81, 2005. Référence Bibliographique [10] X. Hu and L. Zhang, A predictive direct torque control scheme for a threelevel VSI fed induction motor drive, Electrical Machines and Drives, 1999. Ninth International Conference on, pp.334-338, Conf. Publ. No. 468, 1999. [11] FZ ZERHOUNI M.ZEGRAR, Implémentation d'une stratégie de commande pour onduleur Multiniveaux, Ministry of Higher Education and Scientific Research University of BECHAR, Journal of Science Research N 5, p. 59-66, 2010. [12] M. Marchesoni, M. Mazzucchelli, and S. Tenconi. A non conventional power converter for plasma stabilization. PESC’88, 1 :122–129, 1988. [13] Nikolaus Schibli. Symmetrical multilevel converters with two quadrant DCDC feeding. PhD thesis, EPFL, 2000. [14] P.W. Hammond. A new approach to enhance power quality for medium voltage ac drives. IEEE Transactions on Industry Applications, 33(1) : 202– 208, january 1997. [15] K. Merabet, Commande MLI d'un onduleur triphasé Basé sur la dispersion de la tension triphasé, Mémoire de la Maitrise en Génie Electrique, Université du Québec, 2011. [16] R. Teodorescu, F. Blaabjerg, J.K. Pedersen, E. Cengelci, and P.N. Enjeti. Multilevel inverter by cascading industrial VSI. IEEE Transactions on Power Electronics, 49(4) :832–837, august 2002. [17] P.K. Steimer, H. Grüning, and J. Werninger. State-of-the-art verification of the hard driven GTO inverter development for a 100 MVA intertie, PESC'96,(2) :1401–1407, 1994. [18] R. Teodorescu, F. Blaabjerg, J.K. Pedersen, E. Cengelci, and P.N. Enjeti. Multilevel inverter by cascading industrial VSI. IEEE Transactions on Power Electronics, 49(4) : 832–837, august 2002. [19] S. Mariethoz et A. Rufer, Dimensionnement et Commande des Onduleurs Multi-niveaux Asymétriques, Conférence Internationale Francophone d’Automatique, Nantes, pp. 278 – 283, 8-10 Juillet 2002. [20] M.D.Manjerekar and T.A.Lipo, A hybrid multilevel inverter topology for drive Applications, IEEE-APEC'98, pp.523-529,1998. Référence Bibliographique [21] Rachid Taleb, Abdelkader Meroufel et Patrice Wira, Commande par la stratégie d'élimination d'harmoniques d'un onduleur multiniveau asymétrique à structure cascade, Article de volume 49, Néréro 4. Mediamira Science Publisher. Edition 2008. [22] Joseph S, Martin V, Sébastien M et Alfred R. Convertisseurs multiniveaux asymétriques pour des applications de moyenne et forte puissance, Article : ([email protected] ) Laboratoire d'Electronique Industrielle (LEI). Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL). CH-1015 Lausanne EPFL, Suisse Edition 2000. [23] Joseph Song Manguelle, "Convertisseurs multiniveaux asymétriques alimentés par transformateurs multi-secondaires basse-fréquence: réactions au réseau d 'alimentation", Thèse nº 3033 (2004), École Polytechnique Fédérale de LAUSANNE, Suisse. [24] Mamadou Baldé, Etude D'un Compensateur Statique Pour Eoliennes A Vitesse Fixe A Base De Génératrice Asynchrone A Cage, thèse UNIVERSITÉ DU QUÉBEC. 2010. [25] Bouakaz Ouahid, Contribution A L'analyse Des Onduleurs Multiniveaux Fonctionnement Symétrique Et Asymétrique, mémoire de magistère en électrotechnique de l’université de Batna, 2005. [26] Toumi Mohamed, APPLICATION DES ONDULEURS MULTI NIVEAUX DANS LES SYSTEMES DE CHAUFFAGE PAR INDUCTION. Analyse, Modélisation et Commande, MAGISTER En ELECTROTECHNIQUE, Université de Batna, 2012. [27] Y. Sahali, Etude, Modélisation et Simulation des Onduleurs de Tension Multiniveaux. Etat de l’Art, Mémoire de Magister, Université Djillali Liabes, Sidi Bel-Abbès, 2004. [28] M. Veenstra. Investigation and Control of a Hybrid Asymmetric Multi-Level Inverter for Medium-Voltage Applications. PhD thesis, École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Lausanne (CH), 2003. [29] O.M. Mueller and J.N. Park. Quasi-linear IGBT inverter topologies. APEC’94 Conference Proceedings, 1 :253–259, February 1994. Référence Bibliographique [30] V.T. Somasekhar, K. Gopakumar, E.G. Shivakumar, and A. Pittet. A multilevel voltage space phasor generation for an open-end winding induction motor drive using a dual-inverter scheme with asymmetrical DC-link voltages. EPE Journal, 12(3) :21–29, August 2002. [31] X. Kou, K.A. Corzine, and M.W. Wielebski. "Over-distention operation of cascaded multilevel inverters. IEMDC"2003, 3 :1535–1541, June 2003. [32] Joseph Song –Manguelle, Martin Veenestra, CONVERTISSEURS MULTINIVEAUX ASYMÉTRIQUES pour des application de moyenne et forte puissance, Laboratoire d'électronique industrielle, ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE, EPF 2000. [33] M. D. Manjrekar, P. K. Steimer,T. A. Lipo, Hybrid multilevel power conversion system: a competitive solution for high-power applications, IEEE trans. on Ind. Appl. vol.36, No 3, pp.834-841, May-June 2000. Résumé : Ce mémoire traite les onduleurs multiniveaux asymétrique à cellule en série. Ces onduleurs sont constitués des cellules onduleurs, connectées en série et dont les tensions onduleurs et une condition plus restrictive permettant de minimiser les commutations qui sont établies. Ces 2 conditions facilitent le choix des tensions d'alimentations des cellules. Pour obtenir des résultats optimaux. Le point essentiel dans ce mémoire est l’application des différentes techniques de commandes aux onduleurs de type en pont en H. On a appliqué la commande en pleine onde et la MLI sinusoïdale. L'objectif étant d'une part d'obtenir un convertisseur qui présente globalement des meilleures performances, en termes de rendement, et d’autre part d'obtenir une résolution plus élevée avec le même nombre de cellules. Mots clés : Onduleur Multiniveaux, Onduleur en pont en H, Onduleur Asymétrique. تحليل احتماالت إلنجاز أو تحقيق طرق توزيع الطاقة: المحوالت المتعددة المستويات هذه المحوالت تتألف من خلية, هذه المذكرة تعالج المحوالت متعددة المستويات غير المتماثلة في خلية تسلسل: ملخص .من المحوالت حيث تكون موصولة بسلسلة أين تكون شدة المحوالت مقيدة بحيث تسمح بتقليل المتغيرات المتحصل عليها هذان الشرطان يسهالن في اختيار شدة تغذية الخاليا و للتحصل على النتائج المرجوة فالنقطة المهمة في المذكرة هي . المتعرجMLI لقد استخدمنا تحكم عالي الموجة أو التردد معH استخدام مختلف تقنيات التحكم في المحوالت ذات القنطرة و من جهة أخرى.و يكون الهدف هاهنا التحصل على محول يقدم بشكل واسع أفضل النتائج ذات مردود من جهة .التحصل على تصميم عالي الجودة يتماشى مع عدد الخاليا . عاكس غير متماثل,H عاكس بقنطرة, عاكس متعدد المستويات: الكلمات الدالة Nourishment multilevel inverter : analysis of possibilities achievement and approche of distribution of full power Summary : This memory deals with asymmetrical multilevel inverters. The investigated topologies consist of series connected cells with different input voltages. Some combinations of different input voltages have been proposed to improve the converter resolution. The issential point of the memory is the application of different commends techniques for a type on H of converter One of those commends was applicated whith a full wavey and bent PWM. The objectif here is to acquire a convertise who give a performance and to acquire too a more high resolution whith a same nember. Key words : multilevel inverter, Cascaded H-bridge Inverter, Asymmetrical inverter.