Convertisseurs électroniques de puissance embarqués

Journée d’étude GREPES du 18 mai 2005
Convertisseurs électroniques
de puissance embarqués sur
véhicules ferroviaires
Revue de quelques travaux
Dr. O. Deblecker
Service de Génie Electrique
31, boulevard Dolez 7000 MONS
[email protected]
30/06/05
30/06/05
Electrical Engineering Division
In 2005:
G Academic staff (5)
(Prof. C. Broche ; Prof. M. Delhaye ; Prof. M. Renglet ; Prof. J. Trécat ;
Prof. J. Lobry, Head of Group 1001)
G Scientific staff (4)
(Dr. Ir. O. Deblecker, 1er Ass. ; Ir. S. Dupuis, Ass. ; Ir. A. Ishii, Ass. ;
Ir. F. Vallée, Ass.)
G Researchers (2)
(Ir. A. Bizimana ; Ir. E. Nduwimana)
G Technical staff (3)
(M. Bauvois ; J. Kefer ; H. Revercez)
G Administrative staff (1)
2
2
(V. Piette, Secretary)
Electrical Engineering Division
GTeaching activities
GResearch activities
Collaborations :
Université Libre de Bruxelles (Belgium), ESIEE (France),
LEG (France), Stathclyde University (UK)
3
3
Teaching activities
Control & Automatic
Power Electronics
Electrical machines
+
G Lighting and safety
G Industrial automatic
G Electronic
instrumentation
4
4
Power
Systems
Actuators
Microelectronics
Research activities
Power Electronics
5
5
Numerical modelling
in Electromagnetics
Research activities (2)
Power Electronics
Electrical supply networks
(4 PhD in progress)
To bring answers to the current problems
posed by the liberalization of the electricity
market and renewable energies
G FACTS
G Wind and
photovoltaic
systems
6
6
Variable Speed Electrical Drives
(1 PhD in progress)
Activity is centered around electric vehicles
and railway traction
Long experience and industrial
collaborations (Alstom-Transport)
Photovoltaic power generation
Wind turbine
138 kV
shunt
transformer
spare
shunt
transformer
series
transformer
intermediate
transformers
Static Var Compensator
7
7
VSC 1
VSC 2
UPFC
Research activities
Power Electronics
G Partner in FRFC project
(Ulg-UCL-FPMs)
« Modelling of electrical drive systems : control and fine modelling of a variable
reluctance machine »
G Partner in the creation of a NoE (FP6)
« Advanced Energy Conversion and Conditioning Technologies Network –
AECCTECH_NET »
(launched by EPE)
G Partner in GREPES association
(academic and industrial
partners)
« Research Group in Power Electronics in Severe environment »
(launched by Alcated-Etca)
8
8
Research activities (4)
Numerical modelling
in Electromagnetics
Long experience (many publications and PhD)
G Hybrid FEM/BEM methods
G Coupling with electric circuit
equations
G Generalization of the
exploitation of symmetries
1 PhD in progress (see FRFC project)
9
9
G Use of the TLM method
in nonlinear problems
G Hysteresis modelling
Application examples
Magnetic flux density in induction
machine with different symmetries
in the stator and the rotor
Magnetic flux
distribution in
reluctance motor with
electronic switching
(hybrid FEM/BEM)
10
10
Current density in bars of
high speed asynchronous
machine with massive rotor
(Hybrid FEM/BEM – 3D)
Plan de l’exposé
G Contexte ferroviaire européen
G Données de base
G Chaîne de traction sous caténaire alternative
G Schéma complet multi-tensions
G Etage d’entrée à transformateurs moyenne
fréquence
G Conclusion
11
11
Contexte ferroviaire européen
G Diversité des réseaux
d’électrification ferroviaire
§ Caténaires continues 750 V (UK) –
1.5 kV (France/Pays-Bas) – 3 kV
(Belgique, Italie, etc.)
§ Caténaires alternatives 25 kV à 50
Hz (lignes à grande vitesse) ou 15 kV
à 16 2/3 Hz (pays germaniques)
Locomotives « multi-tensions » bi,
tri ou quadri-courant pour
augmenter la vitesse commerciale
Doc. Livre blanc de la Commission des Communautés Européennes :
« La politique européenne des transports à l’horizon 2010 : l’heure
des choix » (http://www.info-europe.fr/doc02/248/g000f17f.pdf)
12
12
Données de base
G Motorisations modernes des engins
de traction ferroviaire font appel à la
technologie asynchrone
G Pilotage des moteurs triphasés (MAS)
via onduleurs de tension
G Adaptation de la tension et/ou du
courant d’alimentation des onduleurs
en utilisant des structures de
convertisseurs d’entrée plus ou moins
complexes
G Nombreux critères à respecter vis-àvis du réseau (courant de traction,
impédance, perturbations, etc.)
G Redondance des équipements
13
13
Plan de l’exposé
G Contexte ferroviaire européen
G Données de base
G Chaîne de traction sous caténaire alternative
§ Onduleur triphasé de traction et convertisseurs d’entrée sous
caténaire alternative
§ PMCF en redresseur – courant psophométrique – association de
plusieurs PMCF
14
14
Chaîne de traction sous caténaire
alternative
Freinage par
récupération
d’énergie
G
En France : train = consommateur comme un autre sur le
réseau EDF à 25 kV
G
En Allemagne : réseau 15 kV dédié spécifiquement à
l’application ferroviaire
Traction
Freinage
rhéostatique
15
15
Onduleur triphasé de traction
Onduleur de tension à
deux niveaux
16
16
Onduleur de tension à trois
niveaux « clampé » par le neutre
Convertisseurs d’entrée sous
caténaire alternative
Sans possibilité de
récupération d’énergie
G Qualité
limitée du
THDi et
donc du FP
G Source de
courant
côté dc
Pont mixte
G THDi réduit
et FP quasi
unitaire
G Source de
tension
côté dc
Pont complet
Redresseur
commandé
(PMCF)
Pont à diodes + hacheurs
parallèles fonctionnant à
des fréquences différentes
17
17
Avec possibilité de
récupération d’énergie
PMCF en redresseur (1/3)
Diagramme vectoriel à
FP1 = cosϕ < 1
Commande
interrupteurs
1 et 2
UE =
(U S − RIS )2 + (ωLIS )2
tgψ =
− ωLIS
U S − RIS
Diagramme
vectoriel à FP1 = 1
Commande
interrupteurs
3 et 4
MLI intersective sinus-triangle
18
18
PMCF en redresseur (2/3)
Tension US, courant source IS et tension d’entrée UE
Tension de sortie UC et courant de charge
FP1
= 0,982
Côté alternatif
Courant de sortie
(=IC+Icharge)
19
19
Côté continu
PMCF en redresseur (3/3)
Spectre de tension UE en amont du convertisseur
MLI sinus-triangle : m = 9
(fp = 450 Hz )
Fondamental à 50 Hz
1ère famille de raies autour
de 900 Hz = 2x fp
2ème famille de raies
autour de 1800 Hz = 4x fp
Spectre du courant source
THDi =7,37 %
Fondamental à 50 Hz
1ère famille de raies autour
de 900 Hz
20
20
Courant psophométrique
G Lignes de télécommunication disposées le long des voies
sensibles aux couplages par champ magnétique, d’autant plus
que le spectre de courants générés à l’alimentation (caténaire +
rails) est élevé
G Situation la plus critique pour l’alimentation par caténaire 25 kV
(50 Hz)
G Notion de courant psophométrique :
I pso =
å
K n I n2
n
1
Il faut : Ipso ≤ 1.5 A (critère I.P.E.)
Kn
0.8
0.6
Courbe de pondération du courant
psophométrique
→ Traduire l’influence sur l’oreille
humaine
0.4
0.2
0
21
21
0
500
1000
1500
f [Hz]
2000
2500
3000
Association de plusieurs PMCF
(1/2)
G
Améliorer le THDi (et donc le courant Ipso à la
caténaire) en imbriquant judicieusement les
commandes de plusieurs PMCF
G
Pour deux PMCF, on décale les porteuses
triangulaires de Tp/4
L = 1,9 mH
UE = 1,6 kV à 50 Hz
fp = 450 Hz
m= 9
k = 0,84
22
22
Association de plusieurs PMCF
(2/2)
G Spectre et allure du courant caténaire
Commandes non imbriquées
Commandes imbriquées
5
THDi = 6,66 %
Ipso = 7,6 A
4
3
1ère famille de raies
génante car dans la bande
de fréquence la plus
défavorable en ce qui
concerne Ipso
2
1
0
0
500
1000
1500
Frequency (Hz)
2000
FFT window: 1 of 1500 cycles of s elected s ignal
Icat(t)
23
23
2500
Ma g (% of Funda mental)
Mag (% of Fundame ntal)
5
THDi = 1,75 %
Ipso = 3,1 A
4
3
Elimination de la 1èe
famille de raies !
2
1
0
0
500
1000
1500
Frequency (Hz )
2000
FFT window: 1 of 1500 cycles of s elected s ignal
Icat(t)
2500
Plan de l’exposé
G Contexte ferroviaire européen
G Données de base
G Chaîne de traction sous caténaire alternative
G Schéma complet multi-tensions
24
24
Schéma complet multi-tensions
(1/3)
PMCF
Hacheur
d’entrée
Onduleur
Hacheur
de freinage
Doc. Alstom
25
25
Schéma complet multi-tensions
(2/3)
G Sous caténaire alternative
Doc. Alstom
26
26
Schéma complet multi-tensions
(3/3)
G Sous caténaire continue
Doc. Alstom
27
27
Plan de l’exposé
G Contexte ferroviaire européen
G Données de base
G Chaîne de traction sous caténaire alternative
G Schéma complet multi-tensions
G Etage d’entrée à transformateurs moyenne
fréquence
§ Convertisseur à commutation douce pour engin de traction
28
28
Etage d’entrée à transformateurs
moyenne fréquence
Cellule de conversion
d’énergie
Connexions
en série
Connexions
en parallèle
Commutation
douce
29
29
Convertisseur à commutation
douce (1/9)
q
Condensateurs parallèles
→ Commutation douce (ZVS)
Charge/décharge des
condensateurs d’un même bras
lors de transitions résonnantes
q
Rôle du circuit auxiliaire ?
q
bras 1
bras 2
→ Commandes déphasées γ
Fréquence de
travail 20 kHz
30
30
Augmenter l’énergie disponible pour
réaliser une commutation ZVS de
S2/S4 dans une gamme étendue de
courants de charge
Convertisseur à commutation
douce (2/9)
G Dimensionnement de l’inductance Ls du circuit auxiliaire
Energie requise pour
assurer la commutation
douce (ZVS)
WL
1
1
1
L ⋅ I 02 + Ls ⋅ I L2s ,max ≥ CeqVe2
2
2
2
= WC
WC
Energie magnétique
stockée dans
l’inductance de fuite
du transformateur
= WL
Avec Ls = 500 µH : Commutation
douce (ZVS) pour I0 > 40 A
31
31
Energie magnétique
stockée dans
l’inductance Ls du
circuit auxiliaire
Convertisseur à commutation
douce (3/9)
G Formes d’ondes à charge nominale
Ve = 750 V
I0 = 166 A
C = 150 nF
Ls = 50 µH
γ = 58°
Courant de
sortie io
Courant
primaire ip
Tension
primaire vp
Tension
secondaire vs
32
32
Convertisseur à commutation
douce (4/9)
G Commutation dure vs. Commutation douce
Dure (C1 = 10 nF)
Douce (C1 = 150 nF)
Ouverture de l’IGBT 1
33
33
Convertisseur à commutation
douce (5/9)
G Changement de signe du courant primaire
Durant cet intervalle :
§
? t2 < ? t1
LCC : circuit auxiliaire
34
34
Sans LCC
(? t1)
Avec LCC
(? t2)
§
Tension primaire
Vp non nulle
Tension secondaire
Vs égale à zéro
→ Réduction de la tension de
sortie V0 = |Vs| due à
l’inversion de signe du
courant primaire
→ Pour pallier cet inconvénient :
diminuer l’intervalle de
temps correspondant au
changement de signe du
courant primaire
Convertisseur à commutation
douce (6/9)
G Augmentation du courant dans l’IGBT 2 dû au circuit
auxiliaire LCC
Courant de
l’IGBT 2
Courant
primaire ip
35
35
Courant iLs du
circuit auxiliaire
Convertisseur à commutation
douce (7/9)
G Pertes en commutation de l’IGBT 2 en fonction de la
capacité C2
A la fermeture
A l’ouverture
Ve = 1 kV
« Décollement » de courbes
→ Limite de fonctionnement à ZVS
Ve = 750 V
Ve = 500 V
50 % de la charge nominale
Avec (trait pointillé) et sans (trait continu) circuit
auxiliaire LCC
36
36
Convertisseur à commutation
douce (8/9)
G Somme des pertes en commutation des IGBT 1 et 2 en
fonction de la capacité C1 (= C2)
Trouver un optimum sur la valeur de capacité à un niveau de
charge donné
Ve = 1 kV
Ve = 750 V
Ve = 500 V
37
37
50 % de la charge nominale
Avec (trait pointillé) et sans
(trait continu) circuit auxiliaire
LCC
Convertisseur à commutation
douce (9/9)
G Valeur de capacité optimale en fonction du niveau de charge
Capacité
optimale
Niveau de charge (I0)
38
38
Conclusion
G Convertisseurs embarqués à bord d’engins de
traction ferroviaire
G Revue de quelques travaux portant sur des
structures de convertisseurs d’entrée sous
caténaires alternative
G Présentation d’une nouvelle topologie d’étage
d’entrée à transformateurs moyenne fréquence
39
39
Annexe A
40
40
Chaîne de traction sous caténaire
continue
Freinage par
récupération
d’énergie
Valeurs nominales. Exemple pour le réseau belge :
§ consigne de 3,6 kV au droit de la sous-station
§ tension caténaire effective comprise entre 2 kV et 4 kV
Traction
Freinage
rhéostatique
CEM avec les circuits de signalisation au sol (ou circuits de voie - CdV) sur
lesquels repose la sécurité de la circulation des trains
→ Il existe des prescriptions concernant les courants harmoniques générés
à l’alimentation du réseau continu par un train complet
41
41
Convertisseurs d’entrée sous
caténaire continue (1/4)
G Exemple : hacheur dévolteur
Rôles du filtre d’entrée Le-Ce
(fe,max<25 Hz pour Lcat=0) :
§
§
§
assurer la stabilité du bus continu
pour le fonctionnement de l’onduleur
assurer l’impédance minimale de
l’engin de traction vis-à-vis du réseau
limiter le courant absorbé à la
caténaire dans la bande de fréquence
utilisée par les CdV
fh
750 V
Filtre d’entrée
42
42
Fréquence de hachage fh
Convertisseurs d’entrée sous
caténaire continue (2/4)
G Restrictions sur les harmoniques de courant rejetés à la
caténaire
Zone III
Zone II
Zone I
50 Hz
Ih< 0,1 A
Doc. SNCB
Restrictions à basse fréquence spécifique
(autour de 50 Hz)
§
§
§
Zone I : pas de restriction
Zone II (de 48,5 à 51,5 Hz) : Ih< 4 A
Zone III : perturbations interdites
43
43
Restrictions dans la bande de
fréquence 1600 Hz – 2800 Hz
Doc. SNCB
Convertisseurs d’entrée sous
caténaire continue (3/4)
G Autres solutions de montages abaisseurs 3kV/750 V
2fh
2fh
fh
2fh
Hacheur à
décalage série
(HADS)
Hacheur à 3
niveaux à cellules
imbriquées
Fréquence de hachage fh
44
44
Convertisseurs d’entrée sous
caténaire continue (4/4)
G Association de redresseurs commandés en série (PMCF série)
Reconfiguration possible
sous caténaire alternative
(PMCF à commandes
imbriquées)
45
45
PMCF série (1/6)
Transformateur 50 Hz
Onduleur
G Tension d’entrée (UC2) aux bornes de
la charge égale à 1500 V
G Deux PMCF couplés par un
transformateur pour garder le point
d’équilibre du diviseur capacitif
(PMCF série) .
G Puissance identique (P/2) prélevée
sur chaque condensateur
G Fonctionnement à facteur de
puissance unitaire côté alternatif
1500 V
1,5 MW
Redresseur
46
46
Onduleur + MAS
triphasés
PMCF série (2/6)
G Pilotage des 2 PMCF par MLI (fp = 450 Hz)
G 1 : Etude théorique fondée sur les tensions et
courants fondamentaux dans la partie alternative
du circuit pour déterminer les paramètres de la
commande MLI des deux PMCF
G 2 : Régulation de la tension de sortie (aux bornes
de la charge) et du facteur de puissance pour
déterminer les paramètres de la commande
47
47
PMCF série (3/6)
Schéma de simulation
avec régulation
Consigne de tension
d’entrée sur la charge
(UC2 = 1500 V)
48
48
PMCF série (4/6)
Tension (Us1) et courant côté alternatif pour le PMCF1
2250 A
1520 A
Sans régulation
(Déphasage de 20° pour les
fondamentaux, FP1 = 0.94)
Avec régulation
(FP1 quasi unitaire)
49
49
PMCF série (5/6)
Evolution de la tension aux bornes de la charge (UC2)
610 V
(UC2)moy= 1718 V
(UC2)moy= 1500 V
80 V
Sans régulation
Avec régulation
(ondulation résiduelle : 2,6 %)
50
50
PMCF série (6/6)
50 Hz
Courant de
l’IGBT 1 du
PMCF1
450 Hz
icat
1500 A
17 A
514 A
Courant icat pris à la
caténaire
Pas de courant harmonique à 50 Hz (CdV)
51
51
(ondulation résiduelle : 1,6 %)
Annexe B
52
52
Hacheurs parallèles fonctionnant à
des fréquences différentes (1/4)
Hacheur principal fonctionnant à la fréquence fM
permet de transférer la puissance
Contrôle par bande d’hystérésis
IGBT
MOSFET
2 kV
500 kW
? v0 < 2 %
Hacheur auxiliaire fonctionnant
à la fréquence fA>>fM pour
minimiser le THDi du courant
source (caténaire)
Tension
caténaire
abaissée
Courant du
hacheur
principal
Courant du
hacheur
auxiliaire
53
53
Hacheurs parallèle fonctionnant à
des fréquences différentes (2/4)
Evolutions de la tension vs(t) et du courant
source is(t)
Spectre du courant source is
THDi = 1,65 %
Raie du
fondamentale
à 50 Hz
FP1
= 0,999
54
54
Hacheurs parallèles fonctionnant à
des fréquences différentes (3/4)
Courant du hacheur principal iM(t)
Courant du hacheur auxiliaire iA(t)
(fM)moy = 4 kHz, BM = 150 A
(fA)moy = 190 kHz, BA = 50 A
20 ms
~0.325 ms
Echelles de temps différentes !
55
55
Hacheurs parallèles fonctionnant à
des fréquences différentes (4/4)
Sans hacheur
auxiliaire
Avec hacheur
auxiliaire
(THD is)
(IM)moy
(IA)moy
56
56
x6